北理曹茂盛团队综述：发展MXene从无线通讯到电磁衰减
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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。
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
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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