利用材料实现对电磁波响应（反射、透射和吸收等）的动态调控在人们的日常生活中具有重要的作用。例如，波音787飞机上装备了一种电致变色舷窗，乘客通过触动按钮可调整舷窗亮度和颜色，以提高客舱舒适度。这一应用中，可见光的波长（380-780 nm）和薄膜材料的尺度相近，相对容易被材料所“作用”。随着无线通信和物联网设备的快速发展，电磁波辐射无处不在，防止电子器件受到各种电磁信号的干扰是保障设备正常运行的必要条件。目前为止，传统的电磁屏蔽材料，比如铜、银等金属材料，通常只能做到静态电磁屏蔽。其中一个重要原因是，常见的通信波段在射频波段（GHz），其波长远大于电磁屏蔽层。当电磁波波长远大于材料尺寸时，比如厘米波和纳米尺度的材料（从尺度上讲两者相差近六个数量级），如何利用纳米尺度材料实现对电磁波反射和吸收的有效动态调控，不仅是一个基础科学难题，同时还面临着诸多技术挑战。
我院青年教师韩美康针对上述科学问题和技术挑战，基于二维过渡族金属碳化物（MXene）开发了一种电化学驱动的电磁屏蔽薄膜，实现了对入射电磁波反射和吸收行为的双向动态控制（Nature Nanotechnology, 2023, DOI:10.1038/s41565-022-01308-9）。该工作系统地研究了利用不同MXene类型在不同电解液中独特的电化学行为，通过外加电压双向调控电磁屏蔽效能（图1）。研究结果显示，对约300 nm厚的V2CTx薄膜施加微小的电压即可使其电磁屏蔽效能从~24 dB降至~18 dB（X波段，8.2-12.4 GHz），且可在放电后恢复至初始状态。这一调控过程中电磁波的反射和吸收比例分别下降和上升了0.1。考虑到微波波长（厘米波）和薄膜厚度（亚微米级）之比，后者仅为前者的十万分之一，这一电磁波动态调控变化是极其显著的。同样，在Ti3C2Tx薄膜中也可实现调控，并且可通过不同的电解液实现不同调控行为。另外，通过MXene薄膜的电化学氧化行为可以制得一次性的电磁屏蔽“开关”。例如，通过外加电压可以将Ti3C2Tx薄膜的电磁屏蔽效能从~33 dB降至~12 dB，使其从电磁屏蔽薄膜变成了近电磁波透过薄膜。
图1、（a）动态可调的电磁屏蔽薄膜结构；（b）五种不同的MXene电磁屏蔽薄膜；（c）利用离子插层来实现电磁屏蔽性能调控；（d）MXene薄膜的层状有序排列结构。
这些电磁屏蔽动态调控的基本原理是基于MXene材料独特的电化学性质。如图2所示，与常规的双电层电容器相比，MXene在离子嵌入的过程中还伴有氧化还原反应，会导致电荷转移并且表面氧化态会随之发生改变。在仅有双电层行为时，离子嵌入表面电负性的MXene层间，由于静电吸引层间距减小，从而电导率提高，电磁波反射增强；而MXene的赝电容行为则会连续改变过渡族金属氧化态，使层间距变大，电导率下降，进而增强电磁波吸收。另外，MXene在中性水系电解液中有特殊的反去溶剂化的充放电过程。利用这一过程同样可以改变其电磁屏蔽性能。
综上所述，电化学驱动MXene薄膜是实现微波波段电磁波响应动态调控的有效方法。MXene丰富的组分、层结构和活性表面以及不同电解液的选择为动态调控提供了巨大的设计空间。该技术有望应用于电子元器件的实时监测、环境自适应电磁防护以及无线通信控制等，对新型国防装备和物联网设备发展有重要意义。
图2、动态调控电磁屏蔽机理示意图
作者简介：韩美康，复旦大学光电研究院青年研究员，上海市浦江人才计划入选者。2018年于西北工业大学获得博士学位，2018-2022年在美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授课题组开展博士后研究，2022年加入复旦大学。主要研究方向为二维过渡族金属碳氮化物（MXene）的合成及电磁功能应用。近年来，发表论文40余篇，授权发明专利6项，美国发明专利2项。其中以第一作者在Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊上发表论文16篇，高被引论文15篇，热点论文3篇，引用6300余次，H因子28。相关成果被AAAS、Materials Today、Phys.Org等多家科技媒体报道。担任2D Materials客座编辑，2020-2022年连续入选斯坦福全球TOP 2%科学家名单。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01308-9
