透明電磁屏蔽薄膜在通訊設(shè)備、醫(yī)療器械、儀器儀表、航天航空等多個(gè)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用需求，吸引了廣泛的關(guān)注。然而，在目前的透明屏蔽材料中，高透光率和高屏蔽效能難以兼得。因此研究在具有高電磁屏蔽效能情況下保持高透光率的方法具有重要的意義。
銀納米線 (AgNW)是一種新型的一維導(dǎo)電材料，其兼具銀的超高電導(dǎo)率和納米材料的尺度效應(yīng)，因而常作為復(fù)合材料中的導(dǎo)電骨架。AgNW組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)薄膜具有一定的導(dǎo)電性能同時(shí)還允許可見光的透過，因此AgNW薄膜可用于透明導(dǎo)電薄膜，然而AgNW間搭接處具有很大的接觸電阻，這導(dǎo)致AgNW薄膜的導(dǎo)電性能較差，影響其在電磁屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用。
MXene是一種新型二維過渡金屬碳化物和碳氮化物，具有金屬一樣的高電導(dǎo)率和豐富的官能團(tuán)，非常適合用于傳感和電磁屏蔽等應(yīng)用。然而，由于MXene對可見光具有很強(qiáng)的吸收作用，使得單純的MXene薄膜在具有一定屏蔽性能下透光性能較差。
為了調(diào)和透光率和屏蔽性能之間的矛盾，北京化工大學(xué)的于中振教授和張好斌教授等近日報(bào)道了一種基于多尺度設(shè)計(jì)的Ti3C2Tx MXene/AgNW透明導(dǎo)電薄膜，具有高透光率、高電磁屏蔽和聲音傳感功能。該研究成果以“Flexible, Transparent， and Conductive Ti3C2Tx MXene-Silver Nanowire Films with Smart Acoustic Sensitivity for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding” 為題發(fā)表在《ACS NANO》上（見文后原文鏈接）。文章第一作者是北京化工大學(xué)博士生陳偉。
【圖文解析】
?
解析：作者首先構(gòu)建MXene包覆的銀納米線的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。受到接觸電阻的影響，未經(jīng)處理的銀納米線透明導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電性能并不理想，因此難以作為有效的電磁屏蔽薄膜。利用水蒸發(fā)過程中的毛細(xì)作用力可以將相鄰的銀納米線更加緊密地貼合，從而有利于形成更加完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步在水中引入二維導(dǎo)電納米片MXene，可以產(chǎn)生更加強(qiáng)的毛細(xì)管作用。而這種毛細(xì)管作用使得MXene和銀納米線以及相鄰的銀納米線更加緊密地貼合。作者統(tǒng)計(jì)了加入MXenen 前后相鄰銀納米線節(jié)點(diǎn)的垂直厚度，發(fā)現(xiàn)在有MXene的情況下，銀納米線節(jié)點(diǎn)的垂直厚度明顯降低。因此MXene包覆的銀納米線薄膜具有明顯更高的電導(dǎo)率和較好的電磁屏蔽性能。
?
解析：單純地使用MXene的包覆來提升銀納米線薄膜屏蔽效能，在薄膜較薄的情況下，其效果比較明顯。但是隨著厚度的提升，MXene包覆的提升效應(yīng)減落。因而仍然難以得到高屏蔽值和高透明度兼顧的材料。作者利用層狀結(jié)構(gòu)巧妙地解決了這個(gè)矛盾。層狀結(jié)構(gòu)保證單層薄膜具有較薄的厚度，保留了MXene包覆所帶的屏蔽效能提升，還引入了額外的電磁波多重反射，使得電磁波產(chǎn)生額外的損耗。因此在同樣的銀納米線密度下，雙層結(jié)構(gòu)的薄膜比單層結(jié)構(gòu)具有更高的屏蔽性能。而且該層狀結(jié)構(gòu)薄膜的屏蔽性能與空氣層厚度有明顯的依存關(guān)系，屏蔽性能隨著空氣層厚度的增大而增大，當(dāng)厚度為9毫米時(shí)，該材料可以在83%的透光率下實(shí)現(xiàn)49 dB的屏蔽效能。值得注意的是的是這種層狀結(jié)構(gòu)不會影響可見光的透過。作者在文中詳細(xì)解釋層狀結(jié)構(gòu)對電磁屏蔽影響的原因。
?
解析：層狀結(jié)構(gòu)薄膜的屏蔽效能不只受到空氣層厚度的影響，還受到其中銀納米線密度的影響。在低銀納米線的填充量下，雙層結(jié)構(gòu)的屏蔽性能并不理想。作者結(jié)合不同填充量下薄膜對電磁波的吸收和反射特性，揭示了層狀結(jié)構(gòu)中銀納米線填充量存在最佳值。并且利用該最佳的銀納米線填充密度，作者構(gòu)造了多層結(jié)構(gòu)。電磁屏蔽效能隨著隨著層數(shù)的增大而線性增大，在59%的透光率下，四重結(jié)構(gòu)的屏蔽性能可以達(dá)到96 dB，遠(yuǎn)高于同類文獻(xiàn)的報(bào)道。
?
解析：作者利用層狀薄膜表面的MXene和PET基底組裝了一種基于納米摩擦電的聲音傳感器。該傳感器兼具透明和高電磁屏蔽的特性。對于不同頻率和聲響的聲音，MXene/銀納米線基傳感器可以輸出相應(yīng)大小和頻率的電信號。MXene表面的基團(tuán)以及PET的特殊性質(zhì)使所制備的傳感器表現(xiàn)出卓越的傳感性能，即高的信號輸出1000 mV(SPL 100 dB)和低聲響檢測限度40dB。為了探索這些收集到的電流信號的實(shí)際應(yīng)用，作者開發(fā)了一個(gè)將透明的MXene/銀納米線基傳感器與完整的信號處理和指令輸出系統(tǒng)集成在一起的傳感平臺。這個(gè)平臺演示了其在語音識別領(lǐng)域的巨大潛力。
【總結(jié)】
作者首次應(yīng)用毛細(xì)管作用組裝MXene與銀納米線制備了一種高透明的導(dǎo)電薄膜。同時(shí)精心設(shè)計(jì)的多層結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的負(fù)載密度，MXene/銀納米線多重膜兼具高電磁屏蔽性能和高透光率的特性，為高性能電磁屏蔽材料的開發(fā)提供了一種新的途徑。MXene/銀納米線多重膜還可以精確的監(jiān)測環(huán)境的聲音并將其轉(zhuǎn)化為電信號。 該材料可用于未來的智能屏蔽窗戶、機(jī)器人和智能可穿戴設(shè)備的構(gòu)建。
全文鏈接：
