多尺度设计具有超高屏蔽效能的多功能透明导电材料!

透明电磁屏蔽薄膜在通讯设备、医疗器械、仪器仪表、航天航空等多个领域具有很大的应用需求,吸引了广泛的关注。然而,在目前的透明屏蔽材料中,高透光率和高屏蔽效能难以兼得。因此研究在具有高电磁屏蔽效能情况下保持高透光率的方法具有重要的意义。

银纳米线 (AgNW)是一种新型的一维导电材料,其兼具银的超高电导率和纳米材料的尺度效应,因而常作为复合材料中的导电骨架。AgNW组成的网络结构薄膜具有一定的导电性能同时还允许可见光的透过,因此AgNW薄膜可用于透明导电薄膜,然而AgNW间搭接处具有很大的接触电阻,这导致AgNW薄膜的导电性能较差,影响其在电磁屏蔽领域的应用。

MXene是一种新型二维过渡金属碳化物和碳氮化物,具有金属一样的高电导率和丰富的官能团,非常适合用于传感和电磁屏蔽等应用。然而,由于MXene对可见光具有很强的吸收作用,使得单纯的MXene薄膜在具有一定屏蔽性能下透光性能较差。

为了调和透光率和屏蔽性能之间的矛盾,北京化工大学的于中振教授和张好斌教授等近日报道了一种基于多尺度设计的Ti3C2Tx MXene/AgNW透明导电薄膜,具有高透光率、高电磁屏蔽和声音传感功能。该研究成果以“Flexible, Transparent, and Conductive Ti3C2Tx MXene-Silver Nanowire Films with Smart Acoustic Sensitivity for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding” 为题发表在《ACS NANO》上(见文后原文链接)。文章第一作者是北京化工大学博士生陈伟。

​北京化工大学于中振团队《ACS NANO》:多尺度设计具有超高屏蔽效能的多功能透明导电材料!

【图文解析】

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图1.Ti3C2Tx MXene/AgNW透明导电薄膜的主要制备过程及表征。

 

解析:作者首先构建MXene包覆的银纳米线的导电网络。受到接触电阻的影响,未经处理的银纳米线透明导电薄膜的导电性能并不理想,因此难以作为有效的电磁屏蔽薄膜。利用水蒸发过程中的毛细作用力可以将相邻的银纳米线更加紧密地贴合,从而有利于形成更加完善的导电网络。进一步在水中引入二维导电纳米片MXene,可以产生更加强的毛细管作用。而这种毛细管作用使得MXene和银纳米线以及相邻的银纳米线更加紧密地贴合。作者统计了加入MXenen 前后相邻银纳米线节点的垂直厚度,发现在有MXene的情况下,银纳米线节点的垂直厚度明显降低。因此MXene包覆的银纳米线薄膜具有明显更高的电导率和较好的电磁屏蔽性能。

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图2. 双层状结构的屏蔽特性

 

解析:单纯地使用MXene的包覆来提升银纳米线薄膜屏蔽效能,在薄膜较薄的情况下,其效果比较明显。但是随着厚度的提升,MXene包覆的提升效应减落。因而仍然难以得到高屏蔽值和高透明度兼顾的材料。作者利用层状结构巧妙地解决了这个矛盾。层状结构保证单层薄膜具有较薄的厚度,保留了MXene包覆所带的屏蔽效能提升,还引入了额外的电磁波多重反射,使得电磁波产生额外的损耗。因此在同样的银纳米线密度下,双层结构的薄膜比单层结构具有更高的屏蔽性能。而且该层状结构薄膜的屏蔽性能与空气层厚度有明显的依存关系,屏蔽性能随着空气层厚度的增大而增大,当厚度为9毫米时,该材料可以在83%的透光率下实现49 dB的屏蔽效能。值得注意的是的是这种层状结构不会影响可见光的透过。作者在文中详细解释层状结构对电磁屏蔽影响的原因

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图3. 多层结构的屏蔽特性。

 

解析:层状结构薄膜的屏蔽效能不只受到空气层厚度的影响,还受到其中银纳米线密度的影响。在低银纳米线的填充量下,双层结构的屏蔽性能并不理想。作者结合不同填充量下薄膜对电磁波的吸收和反射特性,揭示了层状结构中银纳米线填充量存在最佳值。并且利用该最佳的银纳米线填充密度,作者构造了多层结构。电磁屏蔽效能随着随着层数的增大而线性增大,在59%的透光率下,四重结构的屏蔽性能可以达到96 dB,远高于同类文献的报道。

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图4. 语音识别能力的MXene/AgNW基传感器。

 

解析:作者利用层状薄膜表面的MXene和PET基底组装了一种基于纳米摩擦电的声音传感器。该传感器兼具透明和高电磁屏蔽的特性。对于不同频率和声响的声音,MXene/银纳米线基传感器可以输出相应大小和频率的电信号。MXene表面的基团以及PET的特殊性质使所制备的传感器表现出卓越的传感性能,即高的信号输出1000 mV(SPL 100 dB)和低声响检测限度40dB。为了探索这些收集到的电流信号的实际应用,作者开发了一个将透明的MXene/银纳米线基传感器与完整的信号处理和指令输出系统集成在一起的传感平台。这个平台演示了其在语音识别领域的巨大潜力。

【总结】

作者首次应用毛细管作用组装MXene与银纳米线制备了一种高透明的导电薄膜。同时精心设计的多层结构和优化的负载密度,MXene/银纳米线多重膜兼具高电磁屏蔽性能和高透光率的特性,为高性能电磁屏蔽材料的开发提供了一种新的途径。MXene/银纳米线多重膜还可以精确的监测环境的声音并将其转化为电信号。 该材料可用于未来的智能屏蔽窗户、机器人和智能可穿戴设备的构建。

全文链接:

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c01635

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