北理曹茂盛团队综述:发展MXene从无线通讯到电磁衰减

Developing MXenes from Wireless Communication to Electromagnetic Attenuation

Peng He, Mao-Sheng Cao*, Wen-Qiang Cao, Jie Yuan

Nano-Micro Letters (2021)13: 115 

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00645-z

本文亮点

1. 系统地阐述了MXenes在G频段的工业应用和基础研究

2. 特别强调了“轻、宽、强”的设计原则。

3. 概述了MXenes在无线通信、电磁衰减等方面面临的挑战和未来的发展方向。

内容简介

MXenes作为一类新型的二维材料,由于其优异的导电性、机械稳定性和易加工性,在各个领域都显示出了优异的性能。到目前为止,对MXenes在无线通信中的应用研究一直在积极进行。同时,MXenes已成为电磁波衰减的主导材料。本文系统地阐述了MXene基材料在无线通信、电磁干扰屏蔽和电磁波吸收等方面的研究进展。揭示了结构设计与无线通信、电磁干扰屏蔽和电磁波吸收之间的关系。此外,本文主要强调MXene基材料设计在工业应用和基础研究中的指导方针和未来挑战。北京理工大学材料学院曹茂盛团队系统地阐述了MXene不同结构设计对无线通信、电磁屏蔽和电磁波吸收的影响。通过对MXene结构的不同改进方法的讨论,揭示了高性能无线通信、电磁屏蔽和电磁波吸收的最可行策略。
图文导读

I MXene基天线材料

Gogotsi团队首先设计并研究了Ti₃C₂Tₓ MXene 2.4 GHz偶极子天线。厚度为~100 nm的半透明MXene天线的反射系数小于−10 dB。将天线厚度增加到8 µm、反射系数达到−65 dB。不同厚度的MXene天线的驻波比小于2,尽管厚度小于100 nm时表面电阻显著增加。8 mm厚偶极子天线的辐射方向图呈现典型的偶极子辐射特性。此外,MXene天线在厚度为8 μm时的最大增益为2.11 dB、它收敛于理想半波长偶极子天线的最大增益(2.15 dB)。Li等人制备了可拉伸Ti₃C₂Tₓ纳米片(MXene)和单壁碳纳米管(SWNTs) S-MXene偶极子天线(图1a)。S-MXene天线的谐振频率与施加的应变呈线性关系(图1b)。此外,S-MXene天线提供了几乎相同的反射|S11| (~−33 dB),在相同的共振频率(1.425 GHz)下进行疲劳试验,达到100%单轴应变,持续500个循环(图1c)。Han等人报告了通过简单的喷涂制造方法生产的目标频率为5.6、10.9和16.4 GHz的微米柔性MXene微带贴片天线(图1d, e)。厚度为5.5 µm的MXene天线的回波损耗值在5.6、10.9和16.4 GHz下分别为−29, −25,和−48 dB(图1f),这表明MXene贴片能够有效地将射频功率传输到散热器。辐射效率随着MXene贴片厚度的增加而增加(图1g),这是由于导体损耗的减少导致的。此外,MXene贴片天线的出色性能可与铜贴片天线相媲美(图1h)。

图1. (a) S-MXene偶极子天线在不同拉伸状态下的示意图和数码照片(右)。(b) 测量和模拟了S-MXene天线在不同单轴应变下的反射频率和谐振频率。(c) 可拉伸S-MXene天线在单轴应变高达100%的200和500周疲劳试验下的性能。(d) 带SMA连接器的MXene介质基微带贴片天线的三维示意图。(e) 在三个目标频率(5.6、10.9和16.4 GHz)下制作的MXene贴片天线的图像,显示几何结构和尺寸。(f) 在不同的目标频率下,不同厚度(1.0、3.2和5.5 µm)MXene贴片天线的回波损耗;以具有相同几何形状和尺寸的铜贴片天线为参考。(g) 测量和模拟了不同厚度MXene贴片天线在不同频率下的辐射效率。(h) 5.5 µm厚的MXene天线和35 µm厚铜天线在自由空间和暗室中分别测量的增益。

II MXene基屏蔽材料

Liu等人在室温(RT)下用40% HF刻蚀Ti₃AlC₂制备了多层Ti₃C₂Tₓ。多层Ti₃C₂Tₓ含量为60 wt%的Ti₃C₂Tₓ/石蜡样品在2 mm厚度时具有39.1 dB的电磁屏蔽效能。Hu等人用40% HF溶液在50 ℃条件下刻蚀Ti₃AlC₂仅0.5小时,制备了多层Ti₃C₂Tₓ。在如此短的时间内制备的多层Ti₃C₂Tₓ也表现出优异的电磁屏蔽性能。以往的研究主要集中在多层Ti₃C₂Tₓ的电磁屏蔽性能上,Cao团队研究了Ti₃C₂Tₓ纳米片与多层Ti₃C₂Tₓ在电磁屏蔽性能上的差异。不同的蚀刻剂导致不同的离心结果(图2a, b)和不同的形貌(图2c-f)。由于局部导电网络的形成,Ti₃C₂Tₓ纳米片显示出比多层Ti₃C₂Tₓ更好的电磁屏蔽性能(图2g-l)。负载量为80 wt%的Ti₃C₂Tₓ/石蜡样品在厚度仅为1 mm时,电磁干扰屏蔽效能达到58.1 dB。

图2. 多层Ti₃C₂Tₓ和Ti₃C₂Tₓ纳米片的合成图(a, b);高倍TEM图像(c, d);HRTEM图像(e, f);局域导电网络(g, h);微波传播模型(i, j);局域导电网络和屏蔽性能的调控(k, l)。

III MXene基吸波材料

最早的研究多涉及多层Ti₃C₂Tₓ的电磁波吸收特性。Qing等人用50% HF蚀刻Ti₃AlC₂ 3小时制备了多层Ti₃C₂Tₓ MXene(图3a-d)。与Ti₃AlC₂/石蜡样品相比,在相同填充浓度(50 wt%)下,多层Ti₃C₂Tₓ/石蜡样品表现出高的微波吸收性能(图3e)。这是由于多层Ti₃C₂Tₓ MXene具有独特的二维形貌,如大量的缺陷和较大的内边界层电容。Cao的小组首先研究了用HCl/LiF蚀刻的分层Ti₃C₂Tₓ (d-Ti₃C₂Tₓ)纳米片的微波吸收性能(图3f, g)。所有不同浓度的Ti₃C₂Tₓ纳米片/石蜡复合材料均表现出优异的微波吸收性能(图3h-k)。特别是对于40 wt%的样品,其最小反射损耗值在厚度为2.5 mm时达到了−47.9 dB,对应的吸收带宽为3.6 GHz。此外,他们还发现了复合材料中电磁能和热能之间的转换机制。分层Ti₃C₂Tₓ纳米片在复合材料中的浓度越高,电磁能向热能的转化越大。

图3. (a) 室温下HF处理前后Ti₃AlC₂的XRD图谱。(b) HF处理后多层Ti₃C₂Tₓ的SEM图像。(c) 和(d)多层Ti₃C₂Tₓ的TEM图。(e) 50% Ti₃C₂Tₓ填充Ti₃C₂Tₓ/石蜡样品Ku波段反射损耗的厚度依赖性图像。(f) d-Ti₃C₂Tₓ的高分辨率TEM图像。(g) d-Ti₃C₂Tₓ的选区电子衍射(SAED)图。(h-k) 不同质量分数d-Ti₃C₂Tₓ/石蜡的复合材料在不同层厚下的反射损耗。

总结与展望
综上所述,在无线通信和电磁衰减领域有待解决的核心突出领域包括:
电导设计,由于电导直接影响天线的厚度和传输性能,第一界面反射的强度主要由电导决定,电导损耗在电磁波吸收中起重要作用;
电磁波在MXenes中的传输和衰减机制尚不清楚,可能与其他2D材料(如石墨烯)中的行为有本质区别;
如何平衡MXenes对电磁波的吸收和反射以实现绿色屏蔽;
采用MXenes的无线通信设备如何适应未来大规模的工业生产。
MXenes作为最新和发展最快的2D材料家族,将为实现各类无线通信和电磁防护装置开辟新的途径。
作者简介

何朋

本文第一作者

北京理工大学 博士

主要研究领域

低维材料的电磁屏蔽和微波吸收特性。

主要研究成果

以第一作者在Carbon, Nanoscale, ACS Appl. Mater. Inter.等学术期刊发表论文7篇,高被引论文多篇。

曹茂盛

本文通讯作者

北京理工大学 教授

主要研究领域

低维电磁功能材料和器件、绿色能源材料和器件。

主要研究成果

在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Optical Mater., Carbon, Appl. Phys. Lett.等高影响力学术期刊发表SCI论文300多篇,H指数72,总被引次数超过20,000次,其中,ESI高被引论文超过40篇次,ESI热点引论文超过10篇次。连续入选“Clarivate Highly-Cited Researcher”和“Highly-Cited Author of RSC and Elsevier”以及荣获“IOP Top-Cited Author Award”。

Email: caomaosheng@bit.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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