一种新型的MXene材料显示出非凡的电磁干扰屏蔽能力

Drexel和KIST的研究人员 告说，一种新的MXene材料，钛碳化物，可以比目前用于电子设备的材料更好地屏蔽电磁干扰。

随着我们欢迎无线技术进入更多生活领域，额外的电子喧嚣正在使一个电磁嘈杂的社区。为了限制额外的交通，德雷塞尔大学的研究人员一直在测试二维材料，这些材料以干扰阻断能力而闻名。他们的最新发现，在《科学》杂志上 道，是一种新的二维材料的出色的屏蔽能力，这种材料可以吸收电磁干扰，而不只是偏转回战斗。

这种材料称为碳酸钛，是2011年德雷塞尔首次生产的二维材料（MXenes）的一部分。研究人员发现，这些材料具有许多特殊性能，包括令人印象深刻的强度、高导电性和分子过滤能力。钛碳化物的特例特性是，它可以比任何已知材料（包括目前大多数电子设备中使用的金属箔）更有效地阻挡和吸收电磁干扰。

“这一发现打破了电磁屏蔽场中存在的所有障碍。它不仅揭示了一种比铜效果更好的屏蔽材料，而且显示了一个令人兴奋的新物理学正在出现，因为我们看到离散的二维材料与电磁辐射的相互作用方式与散装金属不同，”著名大学和德雷塞尔工程学院的巴赫教授的Yury Gogotsi博士说，他领导了这个制造MXene的研究小组。，还包括韩国科学技术研究所的科学家，以及德雷塞尔与该研究所合作的学生。

虽然电磁干扰对工程师和技术人员的”EMI”很少被技术用户注意到，但可能是麦克风或扬声器发出嗡嗡声，但设计电磁干扰的工程师一直关注着这种干扰。EMI 干扰的是其他电气元件，如天线和电路。它会降低电气性能，降低数据交换速度，甚至会中断设备的功能。

电子设计师和工程师倾向于使用屏蔽材料来包含和偏转器件中的 EMI，或者用铜笼覆盖整个电路板，或者最近将单个元件包裹在箔屏蔽中。但这两种策略都增加了设备的体积和重量。

Gogotsi 的小组发现，其 MXene 材料比铜薄得多，更轻，在 EMI 屏蔽方面非常有效。四年前发表在《科学》杂志上的研究结果表明，一种叫做碳化钛的MXene显示出了与当时行业标准材料一样有效的潜力，而且它可以很容易地作为涂层应用。这项研究很快成为该领域最具影响力的发现之一，并激励其他研究人员寻找EMI屏蔽的其他材料。

但是，当 Drexel 和 KIST 团队继续检查该应用的其他成员时，他们发现了钛碳化物的独特品质，这使得它成为 EMI 屏蔽应用更有前途的候选产品。

“与碳化钛相比，碳化物的构造非常相似——除了用氮原子替换一半的碳原子外，它们实际上是相同的——但碳酸钛的导电性要低一个数量级，”Drexel材料科学与工程系的博士生Kanit Hantanasirisakul说。”因此，我们希望从根本上了解电导率和元素成分对 EMI 屏蔽应用的影响。

通过一系列测试，小组做出了一个惊人的发现。也就是说，钛碳化物材料的薄膜——比人毛的厚度薄很多倍——实际上可以比通常用于电子设备的铜箔厚度的铜箔的3-5倍有效。

汉塔纳西里萨库尔说：”值得注意的是，我们最初没有料到碳酸氢钛MXene比已知的所有MXene中导电性最好的材料（碳化钛）更好。我们首先认为测量或计算可能有问题。因此，我们反复试验，以确保我们做了正确的每一件事，并且这些值是可重复的。

也许比团队发现材料的屏蔽能力更重要的，是他们对材料工作方式的新理解。大多数 EMI 屏蔽材料只是通过反射电磁波来防止电磁波的穿透。虽然这对保护组件是有效的，但它并不能缓解环境中 EMI 传播的总体问题。戈戈西的小组发现，钛碳化物实际上通过吸收电磁波来阻断EMI。

汉塔纳西里萨库尔说：”这是一种更可持续的处理电磁污染的方法，比仅仅反射波，这些波仍然可能损坏其他没有屏蔽的设备。”我们发现，大部分波被分层的碳化物MXene薄膜吸收。这就像把垃圾踢出去还是捡起来的区别——这最终是一个更好的解决方案。

这也意味着，钛碳化物可用于单独涂覆设备内的组件，以包含其EMI，即使它们被紧密放置在一起。像苹果这样的公司已经尝试了几年的这种遏制策略，但成功受到铜箔厚度的有限限制。当设备设计者努力使设备更小、更不明显、更集成，使设备无处不在时，这种策略很可能成为新的规范。

研究人员怀疑，碳酸钛的独特性是由于其分层的多孔结构，这使得EMI部分穿透材料，其化学成分，捕获和消散EMI。这种特性的组合出现在材料中，当它在形成的最后一步加热时，称为退火。

“这是一个反直觉的发现。EMI 屏蔽效果通常随电导率而提高。我们知道热处理可以提高电导率，所以我们用钛碳化物来尝试，看看它是否会提高其屏蔽能力。我们发现，它只稍微提高了其电导率，但大大提高了其屏蔽效果，”Gogotsi说。这项工作激励我们，并且应该激励该领域的其他人研究其他 MXenes 的特性和应用，因为它们尽管导电性较低，但性能可能更好。

Drexel 团队一直在扩大其范围，并且已经检查了 16 种不同 MXene 材料的 EMI 屏蔽能力，大约占其实验室生产的所有 MXene 的一半。它计划继续研究钛碳化物，以更好地了解其独特的电磁行为，希望预测其他材料的隐藏能力。