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研究背景

隨著萬物互聯(lián)的快速發(fā)展，智能通信終端的體積越來越小，因此高度相鄰的信號端口之間的串擾面臨著前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)。目前商業(yè)化線路板制造中主要使用金屬銅箔材料作為電磁屏蔽膜，其主要工作原理為超高的電導率實現(xiàn)對電磁波的強反射以屏蔽電磁波。因此，伴隨著電子元件不斷的微型化集成化發(fā)展，這種傳統(tǒng)的依靠單一反射原理的電磁屏蔽機制逐漸暴露出一定的局限性，無法從根源上徹底消除電磁波，會對相鄰元件的正常工作帶來潛在的風險。特別是，當屏蔽膜在惡劣的服役條件下反復折疊或老化后產生破裂或腐蝕會造成嚴重的信號泄漏。

為了應對這一挑戰(zhàn)，開發(fā)具有強電磁波吸收能力的超薄EMI屏蔽膜將顯著促進電子和通信工業(yè)的發(fā)展。因此，石墨烯、碳納米管、MXenes等低維、柔性、多孔、結構豐富的電磁屏蔽材料受到了越來越多的關注。這些材料不僅具有優(yōu)異的導電性，而且由于其獨特的微納多孔結構，具有提供更高的電磁波吸收能力的潛力。

磁性納米金屬氧化物作為廣泛使用的吸波劑材料，與它們復合可以同時提高電磁屏蔽效率和吸收率，被廣泛認為是一種有前途的策略。但是直接物理混合兩類材料會導致碳材料導電網(wǎng)絡的破壞和磁性納米粒子團聚，難以將磁性納米顆粒均勻分布在完整的碳骨架材料中，對于復合電磁屏蔽材料性能提升有限。

研究簡介

近日，清華大學楊誠團隊與深圳大學郭振斌團隊合作提出了一種受“爆米花制造”啟發(fā)的方法，通過在激光加工獲得的石墨烯（LIG）上覆蓋氧化石墨烯層進行二次激光加工，從而使得氧化石墨烯在被還原的同時能夠將局部瞬態(tài)的激光脈沖能量轉化為空間內均勻分布的熱量，這樣可以很好地抑制激光能量固有的局部瞬態(tài)熱積累和高溫帶來的“爆破效應”引起的質量損失，從而實現(xiàn)納米粒子均勻生長和分布在完整的導電多孔碳骨架中。

該策略獲得了高結晶度和超細尺寸(3.63±0.98 nm)的NiFe2O4納米顆粒在LIG多孔結構內均勻分布的超薄復合薄膜。該復合膜在單側70 μm處和雙側166 μm處的總EMI屏蔽效率分別為36 dB和51 dB，與LIG相比，吸收率分別提高到75%和73%。

相關文章以“A popcorn-inspired strategy for compounding graphene@NiFe2O4 flexible films for strong electromagnetic interference shielding and absorption”為題發(fā)表在Nature communications上。

圖文導讀

圖1 不同激光加工策略示意圖。A在傳統(tǒng)的激光制備的復合薄膜中，引入金屬鹽前驅體，表面沒有氧化石墨烯(GO)蓋，激光誘導石墨烯(LIG)的反應過程示意圖。B引入金屬鹽前驅體和氧化石墨烯蓋子后激光制備LIG復合膜的反應過程(采用“popcorn-making-mimic”方法制備的rGO/LIG@NiFe2O4復合膜)。

圖2 激光誘導石墨烯(LIG)、LIG@NiFe2O4和rGO/LIG@NiFe2O4的形態(tài)表征。低倍率(俯視圖)激光誘導石墨烯(LIG)的掃描電鏡圖像。B (A)中紅色虛線區(qū)域的高倍SEM圖像(俯視圖)。C掃描電鏡總覽圖LIG@NiFe2O4(俯視圖)。D (C)紅色虛線區(qū)域的高倍掃描電鏡圖像(俯視圖)。rGO/LIG@NiFe2O4的SEM總覽圖(俯視圖)。F (E)紅色虛線區(qū)域的高倍掃描電鏡圖像(俯視圖)。rGO上表面的G - SEM圖像。內部LIG的掃描電鏡圖像。rGO上表面和內部的EDS圖像/LIG@NiFe2O4。1rGO/LIG@NiFe2O4的SEM截面圖。不同倍率下rGO/LIG@ NiFe2O4的J-L TEM圖像。K中覆蓋的圖是NiFe2O4納米顆粒尺寸的統(tǒng)計結果。rGO/LIG@ NiFe2O4復合膜的TEM圖像。N rGO/LIG@ NiFe2O4復合膜中C、O、Fe和Ni的重疊和獨立分布圖像。

圖3 不同樣品的結構表征。氧化石墨烯(GO)、激光誘導石墨烯(LIG)和不同rGO/ LIG@ NiFe2O4樣品的XRD譜圖。來源于NiFe2O4的峰用*標記。相同樣品的B拉曼光譜。GO、LIG和不同rGO/ LIG@ NiFe2O4樣品的C ID/IG比。D LIG和不同rGO/LIG@ NiFe2O4樣品的厚度。E LIG和不同rGO/LIG@ NiFe2O4樣品的比表面積。F LIG和不同rGO/LIG@ NiFe2O4樣品的薄片電阻和電導率。誤差條是通過計算5個樣本的標準差得出的。LIG和rGO的G-XPS光譜/LIG@ NiFe2O4。rGO/LIG@ NiFe2O4復合膜(H) Ni(2p)和(I) Fe(2p)的高分辨率XPS能譜。

圖4 磁性和電磁干擾屏蔽效能表征。A、B不同前驅體鹽濃度下制備的rGO/LIG@NiFe2O4的滯回線和部分放大圖。激光誘導石墨烯(LIG)和不同rGO/LIG@ NiFe2O4樣品在X波段的C-E EMI SET、SER和SEA。F LIG和不同rGO/LIG@ NiFe2O4樣品在X波段的吸收比。G LIG和不同rGO/ LIG@NiFe2O4樣品在X波段的平均EMI SER、SEA、SET和吸收比。誤差條是通過計算X波段201個點的標準差、h、I EMI SET、SER、SEA以及雙面LIG和雙面rGO/LIG@ NiFe2O4 (F-N-0.7)樣品在X波段的吸收比。

圖5 激光加工rGO/LIG@ NiFe2O4和LIG@NiFe2O4復合材料的有限元分析。A將rGO/ LIG@ NiFe2O4復合材料置于2.4 W激光的1s加熱下。黃色的陰影表示激光光斑，它直接加熱rGO蓋子(半透明的淺灰色)。紅色箭頭表示激光的方向。B, C LIG@NiFe2O4復合材料和rGO/LIG@ NiFe2O4復合材料的溫度和應力分布。D, E LIG@NiFe2O4復合材料和rGO/LIG@ NiFe2O4復合材料中rGO層(不包括蓋層)的最高溫度和最大von Mises應力。F, G功率持續(xù)時間為2 ns的脈沖功率對rGO失效的影響。H, I LIG@ NiFe2O4復合材料、rGO/LIG@NiFe2O4復合材料和rGO/LIG中rGO層(不包括蓋子)的最高溫度和最大von Mises應力。在(I)中，橙色線和綠色線幾乎重疊。

圖6 電磁屏蔽性能評估及機理示意圖激光誘導石墨烯(LIG)和氧化石墨烯/LIG@NiFe2O4與其他報道的電磁屏蔽材料的電磁屏蔽效果和吸收率的比較。左上角的材料意味著更高的電磁屏蔽性能和更薄的厚度。B顯示LIG和rGO/LIG@NiFe2O4與其他最近報道的代表性EMI屏蔽材料綜合性能比較的雷達圖。C示意圖全面顯示了rGO/LIG@NiFe2O4復合膜的EMI屏蔽機制中各組分的貢獻。

總結展望

研究團隊展示了一種制備兼具高導電性和磁性多孔結構的復合薄膜，通過在導電多孔納米碳宿主內均勻負載磁性納米顆粒來最大化磁電協(xié)同效應。

該方法極大地提高了激光脈沖能量傳輸效率，克服了長期存在的熱量分布不均的難題，也避免了激光加工碳材料常見的爆破和燃燒效應。它在PI襯底上實現(xiàn)了70 μm(單面)處36 dB和166 μm(雙面)處51 dB的總EMI屏蔽效率，相應的吸收比分別提高到75%和73%。此外，rGO/LIG@ NiFe2O4復合膜具有20906 dB cm2 g-1的超高絕對屏蔽效能(SSE/t)和57.5 MPa的抗拉強度。它甚至可以承受10000次彎曲和500小時的苛刻的高溫高濕處理，而不會出現(xiàn)明顯的性能下降。

該策略不僅為EMI屏蔽機制和材料的發(fā)展提供了見解，而且還顯示了卓越的制造通用性、小尺寸和器件可靠性。這種復合結構策略不僅可以通過增加激光輸出功率和光束尺寸實現(xiàn)規(guī)模制備，而且還可以通過調整前驅體和加工參數(shù)來方便地調制材料性能。它為復合復雜的納米結構以實現(xiàn)多種先進應用開辟了新的范式。

論文信息

發(fā)布期刊 Nature Communications

發(fā)布時間 2024年6月28日

文章標題 A popcorn-inspired strategy for compounding graphene@NiFe2O4 flexible films for strong electromagnetic interference shielding and absorption

（https://doi.org/10.1038/s41467-024-49498-1）

研究圖隊

通訊作者 楊誠：清華大學深圳國際研究生院材料研究院長聘副教授，科技部某高端專家引進計劃獲得者、清華大學學術新人獲得者，廣東省杰出青年基金獲得者、中國發(fā)明創(chuàng)新獎金獎（排名第一）、廣東省本土創(chuàng)新團隊核心成員、深圳市蓋姆石墨烯中心核心成員。楊誠老師研究團隊在新型能源器件的制備及原理研究、金屬微納結構的形態(tài)調控與應用等方向取得多項重要進展，近年指導學生在Chem. Rev., Nat. Commun., JACS, Angew, Energy Environ. Sci., Adv. Mater.等雜志發(fā)表多篇學術論文，并獲得50余項發(fā)明專利授權。曾獲日內瓦國際發(fā)明獎（金獎）、中國百篇最具影響國際學術論文，中國發(fā)明創(chuàng)新獎（一等獎）、廣東省材料研究學會青年科技獎、廣東省杰出青年科學基金等榮譽，承擔國家基金委國際（地區(qū)）合作重點項目、面上項目、廣東省重大科技專項等項目，并有多項成果實現(xiàn)轉化并產生顯著經濟效益。

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研究團隊 | 作者

酥魚 | 編輯

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