在电子信息技术迅猛发展的当下，大量电子产品的普及带来了严峻的电磁污染问题。这种污染不仅可能破坏通信系统、泄露敏感信息，还可能对人类健康构成威胁。传统的电磁干扰（EMI）屏蔽策略主要集中在金属材料、碳基复合材料以及聚合物基复合材料等领域。然而，这些材料一旦制造完成便表现出固定的电磁特性。面对日益复杂的电磁环境，对于能够动态调整EMI屏蔽能力的新一代材料或器件的需求日益迫切，特别是在柔性和可穿戴电子产品领域，柔性智能EMI屏蔽器件展现出巨大的应用前景。
日前，南京邮电大学赵强教授、李建民教授团队联合南京理工大学卞敬副教授团队提出了一种基于超薄Ti3C2Tx MXene薄膜的柔性电化学可调谐EMI屏蔽器件。该器件利用Ti3C2Tx在电化学过程中充电状态和表面化学的转变，实现了显著的EMI屏蔽切换。在0.1 V到-1.5 V的电压驱动下，该器件能够实现18.9至26.2 dB的可逆屏蔽效果调制。研究还发现，Ti3C2Tx纳米片的尺寸对器件的屏蔽调制能力具有重要影响，较小的片径尺寸能够提供更高的吸收调制能力，从而使器件具备良好的可设计性。通过与Salisbury屏幕和双层谐振腔结构结合，该团队还实现了可调反射抑制比高达32 dB的动态伪装表面，以及以吸收为主（超过90%）的微波响应开关。该研究为复杂未来环境中的电子保护和主动伪装提供了有效且多功能的解决方案。相关研究成果以“Electrochemically-Switched Microwave Response of MXene in Organic Electrolyte”为题，发表在《Advanced Materials》期刊上。
研究团队首先使用最小强度分层法制备了单层的Ti3C2Tx，并采用喷涂法制备了不同厚度（方阻）的Ti3C2Tx薄膜，接着对薄膜的微波特性进行系统的表征。结果表明，薄膜的屏蔽效能随方阻的减小而增大，并且其吸收率在约300 Ω sq-1时达到了导电薄膜的本质吸收极限50%。（图1）
图1. Ti3C2Tx薄膜电极的制备和微波特性表征。
图2. Ti3C2Tx基电化学EMI开关器件的结构设计及其电磁响应行为。
研究团队将Ti3C2Tx薄膜与平行排列的铂（Pt）和银（Ag）组装为三电极器件。这种平行排列的金属电极设计具有定向波透明特性，即保证电化学反应过程中的快速电荷转移，又避免了对Ti3C2Tx电极屏蔽性能的影响。研究发现，随着Ti3C2Tx方阻的减小，器件的电化学EMI调制幅度增大，其中方阻为15 Ω sq-1的Ti3C2Tx电极能够在18.9到26.2 dB之间实现可逆的屏蔽调制。Ti3C2Tx薄膜表现出均匀氧化还原行为和表面电荷密度变化。不同的机制影响着Ti3C2Tx薄膜的反射和吸收行为。增强的反射应归因于薄膜导电性的增加，而吸收率的延迟增加可能是由于在Ti3C2Tx-电解质界面上产生的法拉第和非法拉第过程，这导致电荷积累和界面极化，从而增强电磁吸收。（图2）
图3. 小尺寸S-Ti3C2Tx薄膜的电可调EMI屏蔽特性
研究团队进一步评估了不同纳米片尺寸的Ti3C2Tx对器件EMI屏蔽调制的影响。结果表明，较小的Ti3C2Tx薄片导致了降低的屏蔽效能调制幅度，然而，吸收率的调节比例提高。同时，离子传输路径延长导致电荷转移和屏蔽效果切换的速度变慢。（图3）
图4 Ti3C2Tx在电化学反应过程中可调谐电磁响应的机理研究。
基于诸多原位分析，研究团队发现了Ti3C2Tx薄膜的电化学驱动EMI屏蔽调制的深层机制。一方面，Ti3C2Tx的氧化还原行为在充放电循环期间不断改变过渡金属的氧化态，从而影响表面化学和电导率。另一方面，施加的偏置电压使电解质极化，导致在Ti3C2Tx-电解质界面上形成具有相反极化的离子双电层，这有助于在Ti3C2Tx电极表面产生可调的高迁移率自由载流子（电子和空穴），从而产生可调的微波响应。总之，在电化学反应过程中，尽管Ti3C2Tx的层间结构保持不变，但其氧化态的变化和离子双层的形成不断改变薄膜阻抗，这个动态过程直接影响其反射和吸收特性。（图4）
图5 基于Ti3C2Tx的可切换电磁吸收系统。
为了提高器件性能并拓展其在先进电磁应用中的潜力，研究团队将Ti3C2Tx器件与传统谐振结构结合。与索尔兹伯里屏幕结合，实现了可电动切换的动态伪装表面，具备高达32 dB的可调反射抑制范围。在两个可调的Ti3C2Tx器件之间构建谐振腔，实现了吸收模式的快速可控EMI屏蔽开关。（图5）
总结：研究团队基于Ti3C2Tx MXene的可调电荷状态和表面化学，开发了柔性电化学可调电磁干扰屏蔽装置。通过将此电磁开关器件与索尔兹伯里屏和双层谐振腔结构相结合，分别实现了动态伪装和吸波开关。这种多功能装置有望在未来先进的电磁防护、隐形、伪装等领域发挥重要作用。
来源：高分子科学前沿
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