第一作者：费文坤

通讯作者：李建民教授、赵强教授、卞敬副教授

通讯单位：南京邮电大学、南京理工大学

论文DOI：10.1002/adma.202413311

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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在《Advanced Materials》上发表了题为“Electrochemically-Switched
Microwave Response of MXene in Organic Electrolyte”的研究论文。该研究提出了一种基于超薄Ti₃C₂T_x MXene薄膜的柔性电化学可调谐电磁屏蔽器件。该器件利用Ti₃C₂T_x在电化学过程中充电状态和表面化学的转变，实现了显著的电磁屏蔽切换。在0.1V到-1.5 V的电压驱动下，该器件能够实现18.9至26.2dB的可逆屏蔽效果调制。研究还发现，Ti₃C₂T_x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。

背景介绍

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。

研究出发点

图1. Ti₃C₂T_x薄膜电极的制备和微波特性表征。

研究团队首先使用最小强度分层法制备了单层的Ti₃C₂T_x，并采用喷涂法制备了不同厚度（方阻）的Ti₃C₂T_x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2. Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x电极屏蔽性能的影响。研究发现，随着Ti₃C₂T_x方阻的减小，器件的电化学EMI调制幅度增大，其中方阻为15 Ωsq^-1的Ti₃C₂T_x电极能够在18.9到26.2 dB之间实现可逆的屏蔽调制。Ti₃C₂T_x薄膜表现出均匀的氧化还原行为和表面电荷密度变化。不同的机制影响着Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x-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-Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x对器件EMI屏蔽调制的影响。结果表明，较小的Ti₃C₂T_x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过程减缓。（图3）

图4. Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x薄膜的电化学驱动EMI屏蔽调制的深层机制。一方面，Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x-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Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x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Ti₃C₂T_x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）

总结与展望

研究团队基于Ti₃C₂T_xMXene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。

课题组介绍

李建民，南京邮电大学教授，硕士生导师，中国光学学会终身会员、中国材料学会高级会员、中国激光杂志社青年编委；针对电化学器件柔性化、多彩化及快速响应中所面临的问题，开展了大量的材料探索和基础研究，意图将其与服装结合，构建具有可控变色功能的储能器件并用于智能服装和柔性可穿戴设备；迄今，在Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.等国际权威期刊上发表论文30余篇；申请中国发明专利5项，已授权3项；多次受邀在国内外学术会议上作邀请报告；长期担任Adv. Mater.、ACS Nano、Inorg. Chem.、Adv. Theor. Simul.等期刊独立审稿人。

赵强，南京邮电大学教授，博士生导师，南京邮电大学副校长，有机电子与信息显示国家重点实验室副主任，国家杰出青年科学基金获得者、教育部“长江学者奖励计划”青年学者、全国高校黄大年式教师团队负责人，2023年度“全球高被引科学家”，主要从事有机与柔性电子领域研究。近年来在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Chem. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表高质量论文100余篇，获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖、江苏省科学技术奖一等奖、江苏省青年科技杰出贡献奖等多项科技奖励。

卞敬，南京理工大学副教授，分别于2015年6月和2020年7月获得华中科技大学工学学士和博士学位，主要从事超薄芯片/柔性电子激光剥离与转移工艺研究，主持国家自然科学基金青年项目一项，国家重点实验室开放课题一项，在ACS Applied Materials & Interfaces、Applied Surface Science、Advanced Electronic Materials、International Journal of Extreme Manufacturing、International Journal of Heat and Mass Transfer、Science China-Technological Sciences等高水平期刊上发表SCI论文8篇，被引500余次，授权国家发明专利6项。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202413311