韩国材料科学研究院Byeongjin Park等:基于M型铁氧体的宽频吸收型毫米波电磁屏蔽薄膜

研究背景

随着5G通讯的快速发展,其工作频率是目前4G时代频率的10倍以上,超过26 GHz(毫米波)。例如移动电话的工作频率在26~52 GHz,自动驾驶汽车的工作频率达60 GHz甚至77 GHz。由此造成的电磁波干扰问题可能导致电子故障乃至失效。因此,对宽频毫米电磁波屏蔽材料的需求愈发迫切。

Absorption‑Dominant mmWave EMI Shielding Films with Ultralow Reflection using Ferromagnetic Resonance Frequency Tunable M‑Type Ferrites

Horim Lee, Seung Han Ryu, Suk Jin Kwon, Jae Ryung Choi, Sang-bok Lee, Byeongjin Park*Nano-Micro Letters (2023)15: 76

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01058-w

本文亮点

1. 开发了基于过渡金属掺杂的M型锶铁氧体复合层和导电网格的宽频吸收为主的电磁屏蔽复合膜
2. 电磁屏蔽复合膜的电磁波反射率低于5%,在多个毫米波频段显示出与铁氧体和导电网格特性相对应的特点,且在40至90 GHz频率范围内的电磁屏蔽性能超过99.9%

内容简介

毫米波范围内的宽频电磁波屏蔽性能对于电子设备稳定性和人体健康尤为重要。韩国材料科学研究院的Byeongjin Park等人基于过渡金属掺杂的M型锶铁氧体复合层和导电网格的可控构筑,制备了宽频吸收型毫米波电磁屏蔽复合膜。通过控制和调节M型锶铁氧体的铁磁相应频率和复合材料的几何形状,实现了复合膜在宽频毫米波范围和亚毫米厚度下的超低电磁波反射率(低于5%),且能够屏蔽99.9%的电磁波。本工作制备的超薄和超低反射电磁屏蔽复合薄膜,为5G毫米波的屏蔽材料开发提供了一种研究思路和解决方案。

图文导读

I 过渡金属掺杂M型锶铁氧体的微结构

深入研究过渡金属掺杂对锶铁氧体的晶形结构的影响具有重要意义。如图1所示,所有样品的XRD衍射峰均和空间群为P63/mmc的六方结构M型单相结构相对应。掺杂Co-Ti的SrMs的晶格常数在不同掺杂浓度下保持不变,而掺杂Al的SrMs的晶格常数随着掺杂浓度的增加而降低。主要归因于Co²⁺和Ti⁴⁺的离子半径分别为0.745 Å和0.605 Å,其共替代物的平均半径为0.675 Å,与Fe³⁺的离子半径(0.645 Å)相近。而Al³⁺的离子半径为0.535 Å,仅为Fe³⁺半径的83%,导致晶格结构塌缩。

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图1. (a) 纯锶铁氧体的XRD谱图;(b, c)掺杂Co-Ti的锶铁氧体的XRD谱图;(d, e)掺杂Al的锶铁氧体的XRD谱图。

图2的透射电子显微镜照片表明,所有样品均显示出明显的晶格条纹,晶格间距分别为0.25、0.29和0.37 nm,分别对应M型晶格结构的(114)、(110)和(006)晶面。选取电子衍射表明所有样品均具有六方对称性。XRD和TME分析表明所有掺杂型锶铁氧体均是六角铁氧体。
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图2. 纯锶铁氧体的TEM照片;(b, c)掺杂Co-Ti的锶铁氧体的TEM照片;(d, e)掺杂Al的锶铁氧体的TEM照片。

II 过渡金属掺杂M型锶铁氧体的磁性能

纯锶铁氧体和Co-Ti掺杂锶铁氧体的磁滞回线符合单相磁物质的磁滞回线(图3a),Al掺杂锶铁氧体的磁滞回线呈束腰型(图3b),表明其存在少量的第二相磁物质。Co-Ti掺杂锶铁氧体的饱和磁化强度随掺杂量的增加而略微降低,但Al掺杂锶铁氧体的饱和磁化强度随掺杂量的增加显著降低。这是因为,M型铁氧体的Fe³⁺占据5个晶格位点,分别为2a、2b、12k、4f¹和4f²。由于Co²⁺(3 μB)、Ti⁴⁺(0 μB)和Al³⁺(0 μB)的磁矩均小于Fe³⁺(5 μB)。所以当掺杂元素占据2a、2b或12k晶格位点时,其饱和磁化强度降低。
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图3.  (a)掺杂Co-Ti的锶铁氧体的磁滞回线;(d, e)掺杂Al的锶铁氧体的磁滞回线。

III 过渡金属掺杂M型锶铁氧体的电磁性能
所有样品的介电常数实部和虚部几乎不发生变化(图4a),但是,所有样品的磁导率实部和虚部均表现出明显的自然铁磁共振峰(图4b),且Co-Ti掺杂锶铁氧体的自然铁磁共振频率较低,Al掺杂锶铁氧体的自然铁磁共振频率较高。这是因为,Co²⁺和Ti⁴⁺分别更易占据2b和4f²晶格位点,由此造成Co-Ti掺杂物质的磁晶各向异性常数降低。Al³⁺更易占据12k和2a晶格位点,使得Al掺杂物质的磁晶各向异性常数增加。
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图4. (a) 介电常数;(b) 磁导率。

5G通讯的工作频率主要在33~75 GHz之间。图5a为制备的电磁屏蔽复合薄膜在33~75 GHz下的电磁屏蔽效能。电磁屏蔽复合薄膜在测试频率下的SET均超过30 dB,且在39~52 GHz范围内的SER低于0.1 dB,且最低SER(0.009 dB,38.9 GHz)时的频率与掺杂型锶铁氧体的自然铁磁共振频率一致,另一个SER较低的频率(0.055 dB,52.5 GHz)则与复合薄膜的成份有关。复合薄膜在40~50 GHz范围内的SEA较大,主要归因于该频率下的磁损耗较大。该电磁屏蔽复合薄膜在39 GHz和52 GHz时的电磁波吸收率分别为99.7%和98.3%(图5b)。
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图5. (a)电磁屏蔽效能;(b)屏蔽效率。

自动驾驶汽车的工作频率主要在60~77 GHz之间。图6a为制备的电磁屏蔽复合薄膜在33~110 GHz下的电磁屏蔽效能。电磁屏蔽复合薄膜在测试频率下的SET均超过30 dB,第一个SER较小(0.065 dB)的频率为59.3 GHz,同样与自然铁磁共振频率一致;另一个SER较小(0.12 dB)的频率为74.8 GHz,同样与材料的成份有关。该电磁屏蔽复合薄膜在60 GHz和77 GHz时的电磁波吸收率分别为98.4%和97.0%(图6b)。此外,该电磁屏蔽复合薄膜在56.3~60.8 GHz和72.7~80.4 GHz两个频率范围内的反射率低于5%,在53.8~91.8 GHz的宽频范围内的反射率低于20%。

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图6. (a)电磁屏蔽效能;(b)屏蔽效率。

作者简介

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Byeongjin Park

本文通讯作者

韩国材料科学研究院 研究员
主要研究领域
电磁屏蔽高分子复合材料。

主要研究成果

韩国材料科学研究院研究员,发表SCI论文40余篇,被引1400余次,H-index为17。

Email:b.park@kims.re.kr

撰稿:《纳微快报(英文)》编辑部

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2022JCR影响因子为 26.6,学科排名Q1区前5%,期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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