科研速递 | 理工学院郑庆彬教授团队在多功能碳基柔性电子材料领域取得系列进展

近期，香港中文大学（深圳）理工学院的郑庆彬教授团队在多功能柔性电子材料领域取得进展，开发了一系列具有出色导热，传感和吸波性能的新奇碳基柔性复合材料，与国内外合作者先后在材料科学与工程领域顶级期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, IF = 18.808)，《微尺度》(Small, IF=13.281)，《纳微快报》(Nano-Micro Letters, IF = 16.419)，和《化学工程杂志》(Chemical Engineering Journal, IF=13.273)连续发表5篇学术论文，郑庆彬教授为这一系列论文的共同通讯作者。这些研究工作的主要完成人为郑庆彬教授团队的博士后张飞博士和程俊业博士，主要合作者有天津大学封伟教授团队，复旦大学车仁超教授团队，以及华南理工大学祁海松教授团队。

图1. 高度各向异性碳材料的制备流程示意图

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研究背景

随着微电子器件向柔性化、小型化、多功能化的发展，对传统的电子材料提出了新的要求。作为热管理系统的关键组成部分，热界面材料在电子设备的散热方面发挥着重要作用。具有出色柔韧性和高导热性的高性能热界面材料，尤其是厚度方向的高导热性，对于下一代软电子和机器人技术的的高效散热至关重要。可穿戴柔性传感器也是柔性电子中极其重要的一部分，这种传感器具有非常强的适应性，尤其是随着物联网和人工智能的发展，很多可穿戴柔性传感器具有高度集成和智能化的特点。具有高灵活性，灵敏度和透明度的可穿戴应变传感器在可穿戴电子、人机界面、人体运动检测、电子皮肤、个性化健康监测、软机器人、运动保健、安全设备、环境监控以及航空航天等领域都拥有广泛的应用前景。此外，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的吸波材料，已成为材料科学的一大课题。特别是随着5G 通讯技术的普及，随之而来的电磁辐射问题也将变得更加严峻。

图2. 高取向膨胀石墨材料图片

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研究进展

如图1和图2所示，为开发一种低成本大规模制备具有优异性能的热管理和传感材料，作者提出了一种通过简单的液相膨胀工艺生产高取向石墨(HOG)框架的大规模且具有成本效益的路线（Chemical Engineering Journal, 2022, 431, 134102）。鉴于全液体加工的优点，一步膨胀法有望用于大规模制备高取向碳骨架。获得的HOG骨架可用作通过弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体包封生产高导热复合材料的理想结构。所获得的HOG/PDMS复合材料具有35.4 W m⁻¹ K⁻¹的高平面热导率和优异的柔韧性。石墨层的高取向度使复合材料具有出色的平面导热性能，使其成为大功率微电子散热器应用的优良材料，这也是首次利用商业石墨纸通过简便的一步液相膨胀法大规模制备取向石墨网络的报道，具有膨胀效率高、成本低、晶格更完整等特点。这种具有独特的各向异性结构的复合材料还展示出出色的传感性能，可用于人机互动游戏（Small, 2022, 2200421）。如图3所示，应变传感器安装在手食指感受弯曲动作，产生的电阻变化被转换为电压触发信号并由运算放大器放大，之后来自微控制器的电信号被传输到通用串行总线并由俄罗斯方块游戏软件接收。不仅如此，传感信号的可视曲线可在智能手机上显示和分析，用户可以定性评估和实时纠正动作。

图3. 柔性传感应用展示

为了开发先进的吸波材料，通过双金属MOFs（B-MOFs）中的金属离子替代物引入多个极性单元，并随后与乙炔黑（ACET）混合，为设计基于各种MOFs的高性能吸波材料提供了一种简便可行的方案（Advanced Functional Materials, 2022, 2201129）。Co/Ni/C 衍生物是通过将所制备的MOF在Ar气氛中在高温碳化处理后得到的。如图4所示，通过调整Cu²⁺与Ni²⁺的比例，可观察到不同的形貌，同时不同Ni²⁺的掺杂也导致了吸收波段发生了偏移，实现调频吸波。B-MOFs/ACET复合材料能够展现出优异的吸波性能，最大反射损耗达到-40.54 dB, 有效吸收带宽（<-10 dB）达到5.87 GHz。在复合材料中添加适量的乙炔炭黑可以提高整体电导率，从而增加复合材料的导电损耗和极化弛豫。此外，不同金属离子的电子协同作用和双金属MOF中独特的多极单元产生的自极化效应可以产生多频率和宽带吸收性能。适量的镍离子取代会导致形态的调整，可以调整以构建多级电磁波反射吸收结构，增加电磁波的多次反射和散射，从而增强入射电磁波的吸收。因此，在B-MOFs中加入一定浓度的乙炔炭黑后，B-MOFs/ACET复合材料内部的多重损耗协同作用能够给发挥很大优势。经过碳化后所获得的Ni/Cu/C符合材料展现出类似多频的吸收能力和极化特征，拥有更大的有效吸收带宽。

图4. 吸波材料的FT-IR及拉曼光谱表征

在前期一系列研究基础之上，作者进一步梳理了低波段和多波段电磁波吸收的潜在机制，并深入研究了基于这些机制的新兴策略（Advanced Functional Materials, 2022, 2200123；Nano-Micro Letters, 2022, 14, 80）。如图5所示，对于低波段（S波段和C波段），通过多相化或纳米化定制的具有独特磁晶各向异性的磁性材料可能具有更多优势。同时，优化磁性能有利于从磁共振产生的超低频和磁涡流产生的超高频向S波段和C波段的低频转变。对于多波段吸收特性，四分之一波长原理在提供离散多波段吸收方面起着至关重要的作用。此外，通过构建多相异质结构并引入磁损耗和介电损耗之间的磁电效应耦合，可以实现连续的多波段吸收。同时也有一些问题亟待解决：首先，最紧迫的问题是了解材料结构和电磁功能响应之间的动态关系；其次，在电磁波作用时的电磁微结构的原位表征与观察尚未实现；最后，材料的可控合成、制造与集成技术依旧有很多挑战。此外吸波材料的目标已经从“薄”、“轻”、“宽”、“强”逐步转向“低频”、“宽频”以及“可调频”。对吸波材料及其机理的深入研究将推动材料科学、智能制造、电子通信和国防等多学科领域的创新。

图5. 电磁波吸收材料发展路线示意图

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论文链接

1. Advanced Functional Materials, 2022, 2201129: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202201129

2. Advanced Functional Materials, 2022, 2200123: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202200123

3. Small, 2022, 2200421: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202200421

4. Nano-Micro Letters, 2022, 14, 80: https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-022-00823-7

5. Chemical Engineering Journal, 2022, 431, 134102: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472105676X

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作者简介

郑庆彬教授2011年博士毕业于香港科技大学机械及航空航天学系，2019年加入香港中文大学（深圳）理工学院担任助理教授，校长青年学者。在此之前郑教授曾任德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所“洪堡学者”及香港科技大学机械及航空航天学系研究助理教授，曾获德国“洪堡学者”及香港科技大学高等研究院“青年学人”等荣誉并入选国际先进材料学会（IAAM）会士。作为独立PI承担或完成国家海外高层次青年人才项目，国家自然科学基金，广东省自然科学基金，香港研究资助局优配研究金（HK-RGC GRF），及德国洪堡基金（Alexander von Humboldt-Stiftung）等项目。郑教授长期从事纳米碳材料与集成器件的先进制造加工及其在机械、电子、航空航天、医学等领域的应用，如多功能复合材料、柔性显示、柔性传感和柔性电磁屏蔽等，取得了一系列重要研究成果，已在Progress in Materials Science, Materials Today, Advanced Functional Materials, Small, ACS Nano, Materials Horizons, Nanoscale Horizon, Nano-Micro Letters, ACS Applied Materials & Interfaces, Carbon等本领域顶级期刊发表文章80余篇，论文总计被引用7000余次，H-index为43。

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