进入移动互联网时代，电子设备出现了爆炸式增长，而随着物联网的飞速发展，这一增长趋势将会进一步持续。而这些设备产生电磁干扰，也愈发不可忽视。有研究显示，电磁干扰会对各类电子设备产生不利影响，大到飞机、小到芯片，甚至有可能对人类健康造成损害。

采用导电或磁性材料来阻隔电磁干扰是解决这一问题的有效途径之一。据报道，全球范围导电或磁性材料的电子阻断解决方案市场预计到2022年将超过70亿美元。

近日，来自美国纽约大学、耶鲁大学等机构的联合研究团队开发了一种成本相对较低的MXene-CNT复合薄膜，可用来有效阻挡电磁干扰。相关研究成果发表在近期的Advanced Functional Materials期刊上。（“Layer-by-Layer Assembly of Cross-Functional Semi-transparent MXene-Carbon Nanotubes Composite Films for Next-Generation Electromagnetic Interference Shielding”）

为了制备这种薄膜，该团队采用了旋转逐层加工法（SSLbL），该方法由该论文通讯作者André D. Taylor教授于2012年首创。具体来说，这种方法使用旋转涂布机上安装的喷头，沉积有序纳米厚度的带有相反电荷的化合物单层。与传统方法（如浸涂）相比，该方法可以在更短的时间内生产出高质量薄膜的组件。

通过这一方法，研究团队制备出了柔性、半透明、可屏蔽电磁干扰的复合薄膜，其由数百个交替的碳纳米管层以及一种称为MXene的带相反电荷的二维碳化钛组成。这两者都具有很好的电学特性，因此制备出的复合薄膜对电磁干扰屏蔽的效果要比普通的电磁干扰屏蔽罩要好很多。

旋转逐层加工法制备CNT和MXene复合薄膜示意图

“当我们努力辨别不同组件所扮演的角色时，”Taylor表示：“我们发现，带相反电荷的CNT和MXene层之间强烈的静电和氢键结合赋予了薄膜高强度和柔性。” 同时，他补充道，MXene具有吸附（很容易粘附在表面上）和导电的双重好处，这对于阻止电磁干扰非常重要。

由于这种薄膜本身是半透明的，它特别适用于带有显示屏的设备的电磁干扰屏蔽，例如智能手机。而其他类型的屏蔽材料，例如金属，一般是不透明的，虽然屏蔽性能也很好，但是允许可见光通过的电磁屏蔽材料更值得期待。

采用旋转逐层加工法的另一个优势是可以对薄膜结构进行纳米级控制，并允许更改特定的限定条件，如电导率或透明度，因为它允许薄膜每层的成分发生离散变化。而相比之下，在基质中包含纳米颗粒、聚电解质或石墨烯的单层混合物的膜则不能进行这种改性。

研究人员提出的MXene-CNT复合薄膜电磁屏蔽机理

除了高稳定性、柔性和半透明性外，MXene-CNT复合薄膜还具有高导电性，这是一种对电磁屏蔽至关重要的特性，因为它可以消除薄膜表面的电磁脉冲，使其减弱和分散。

虽然商业制作商已经表现出了利用碳纳米管和石墨烯与导电聚合物复合材料相结合进行电磁干扰屏蔽的兴趣，但到目前为止，相对快速、廉价，同时在薄柔性薄膜上创造这些特性的最佳组合，仍然很难实现，Taylor解释说。

“他们对将碳材料添加到屏蔽材料中的主要兴趣点在于添加导电通路到薄膜中，”Taylor表示：“但同时旋转逐层加工法法还比传统的浸涂快得多。传统的浸涂，其中被屏蔽的组件需要反复浸入材料中、冲洗，然后再次浸入另一层，然后再冲洗，再反复。这一过程需要数天。而我们的系统在几分钟就可以完成数百个双层交替的MXene和CNT的制备。”

虽然旋转喷涂工艺限制了元件尺寸，但Taylor表示，从理论上讲，该系统可以为直径与12英寸晶圆相当的器件和元件提供电磁干扰屏蔽。

由于材料之间的连接更紧密，以这种方式可以更快地生产，且成本更低。此外逐层加工工艺促进了不同纳米结构材料的受控排列和组装，而不仅仅是在几个组件上沉积重复的混合层。你可以想到的一个场景是，使用该系统，通过各种参数的纳米结构材料、聚电解质，来调整交叉功能薄膜的所需特性。

来源：纽约大学

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201803360

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