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新型MXene材料显示出非凡的电磁干扰屏蔽能力

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当我们欢迎无线技术进入生活的更多领域时,额外的电子喧闹声使周围的电磁场变得越来越嘈杂。为了限制额外的通信量,德雷塞尔大学的研究人员一直在测试以其抗干扰能力而闻名的二维材料。他们的最新发现发表在《科学》杂志上,它具有一种新型的二维材料的出色屏蔽能力,该材料可以吸收电磁干扰,而不仅仅是向后偏转。

这种称为碳氮化钛的材料是2011年在Drexel上首次生产的称为MXenes的二维材料家族的一部分。研究人员发现,这些材料具有许多优异的性能,包括令人印象深刻的强度,高电导率和分子过滤能力。碳氮化钛的特殊特性是,它可以比任何已知材料(包括当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领域中存在的所有障碍。它不仅揭示了一种比铜更好的屏蔽材料,而且还展示了一种令人兴奋的新物理学,因为我们看到离散的二维材料与电磁相互作用。辐射与散装金属的辐射方式不同。”杰出大学博士,德雷克塞尔工程学院的巴赫教授Yury Gogotsi说,他领导了进行该MXene研究的研究小组,其中还包括韩国化学研究所的科学家。科学技术,以及Drexel与研究所合作的学生。

虽然技术用户很少注意到电磁干扰(对工程师和技术人员而言是“ EMI”),很可能是来自麦克风或扬声器的嗡嗡声,但这是设计该技术的工程师始终关注的问题。EMI干扰的是其他电子组件,例如天线和电路。它会降低电气性能,降低数据交换速率,甚至会中断设备的功能。

电子设计人员和工程师倾向于使用屏蔽材料来容纳和偏转设备中的EMI,方法是通过用铜笼覆盖整个电路板,或者最近通过将各个组件包裹在箔屏蔽中。但是,这两种策略都会增加设备的体积和重量。

Gogotsi的小组发现,它的MXene材料比铜更薄,更轻,可以非常有效地屏蔽EMI。他们的发现发表在四年前的《科学》杂志上,表明一种名为碳化钛的MXene具有与当时行业标准材料一样有效的潜力,并且可以很容易地用作涂料。这项研究很快成为该领域最具影响力的发现之一,并激发其他研究人员研究其他用于EMI屏蔽的材料。

但是,随着Drexel和KIST团队继续检查该系列的其他成员时,他们发现了碳氮化钛的独特品质,使其成为EMI屏蔽应用的更有希望的候选者。

Kanit Hantanasirisakul说:“与碳化钛相比,碳氮化钛的结构非常相似-除了用碳原子取代一半碳原子外,它们实际上是相同的-但碳氮化钛的导电性要低一个数量级。” Drexel材料科学与工程系的博士候选人。“因此,我们希望对导电率和元素组成对EMI屏蔽应用的影响有一个基本的了解。”

通过一系列测试,该小组做出了惊人的发现。就是说,碳氮化钛材料的薄膜厚度比人发束的厚度薄许多倍,实际上能比类似厚度的铜箔(通常用于电子产品)更有效地阻止EMI干扰3-5倍。设备。

Hantanasirisakul说:“重要的是要注意,我们最初并不期望碳氮化钛MXene比已知的所有MXene中导电性最高的碳化钛更好。”“我们首先认为测量或计算可能有问题。因此,我们一次又一次地重复实验,以确保我们正确地进行了所有操作,并且值可重复。”

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屏蔽材料只是通过将电磁波反射掉而防止其渗透。尽管这对于保护组件很有效,但并不能缓解环境中EMI传播的总体问题。Gogotsi的小组发现碳氮化钛实际上通过吸收电磁波来阻止EMI。

Hantanasirisakul说:“与简单地反射仍会损坏未屏蔽的其他设备的波相比,这是一种处理电磁污染的更具可持续性的方法。”“我们发现大多数波被层状碳氮化物MXene薄膜吸收。这就像把垃圾扔掉或捡起来之间的区别一样,这最终是一个更好的解决方案。”

这也意味着碳氮化钛可用于单独涂覆设备内部的组件,以防止其EMI,即使它们紧密放置在一起也是如此。像苹果公司这样的公司多年来一直在尝试这种遏制策略,但是成功的局限在于铜箔的厚度。随着设备设计师努力通过使其更小,更不引人注目和更集成来使它们无处不在,这种策略可能会成为新的规范。

研究人员怀疑碳氮化钛的独特性是由于其分层的多孔结构使EMI可以部分穿透材料,以及其化学成分可以俘获并消散EMI。在材料的最后形成步骤(称为退火)中加热时,这种特性组合就会在材料内显现出来。

“这是一个违反直觉的发现。EMI屏蔽效率通常随电导率而增加。我们知道热处理可以提高电导率,因此我们尝试使用碳氮化钛来查看其是否会改善其屏蔽能力。我们发现,仅略微提高了其导电性,但大大提高了其屏蔽效果,” Gogotsi说。“这项工作激励了我们,并且应该激励该领域的其他人去研究其他MXene的性能和应用,因为尽管它们的导电性较低,但它们仍可能表现出更好的性能。”

Drexel团队一直在扩大其范围,并已经研究了16种不同MXene材料的EMI屏蔽能力,这大约是其实验室生产的所有MXene的一半。它计划继续进行碳氮化钛的研究,以更好地了解其独特的电磁行为,以期预测其他材料的隐藏能力。

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