北京航空航天大學劉曉芳/于榮海團隊Nano Energy:用于可穿戴傳感器件和智能電磁屏蔽的各向異性磁性液態金屬薄膜

【引言】

電磁波是現代社會信息和數字技術的基石，但它在傳輸信號的同時，也會產生電磁輻射污染，從而干擾電子設備的運行、威脅人體的健康。因此，開發能夠合理利用電磁波、防止電磁輻射污染的電磁功能材料（如電磁傳感器、電磁屏蔽材料等）成為具有實際意義的熱點話題。隨著可拉伸、可穿戴電子器件的快速發展，能與其集成的電磁功能材料需要具備超薄、可拉伸、高導電性的特點。當前可應用于電磁屏蔽的導電薄膜主要基于MXene、石墨烯、金屬微納米線/顆粒等高電導率材料制備，但這種薄膜在彎曲和拉伸時電磁屏蔽性能會由于電導率的降低而下降，在可拉伸、可穿戴電器中應用時有電磁屏蔽失效的風險；此外，如何利用其對電磁波的動態響應進一步構造可穿戴電磁功能器件仍是一項挑戰。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學材料學院劉曉芳副教授團隊和中國科學院北京納米能源與系統研究所潘曹峰研究員聯合報道了一種具有各向異性的磁液態金屬薄膜，具備拉伸增強的電磁干擾屏蔽性能，并利用薄膜的應變敏感性，設計了兩種柔性電磁功能材料。一種為開關式電磁屏蔽材料，通過反復拉伸和釋放薄膜，可實現電磁波屏蔽和透射的快速可逆切換；另一種為以電磁波為信號的傳感器，可通過記錄電磁波信號強度監測人體活動。相關成果以“Anisotropic magnetic liquid metal film for wearable wireless electromagnetic sensing and smart electromagnetic interference shielding”為題，發表在Nano Energy (2022，92，106700)上。

本文將Fe引入高導電性的液態金屬中制備了磁性液態金屬填充物（MLM），通過將MLM與高拉伸性的Ecoflex橡膠均勻混合后放置在外加磁場下進行固化，得到了最大斷裂伸長率能達到600%的高可拉伸性各向異性電磁屏蔽薄膜（AMLM），此薄膜中的MLM明顯沿著磁場進行了取向，且大多呈橢球狀或棒狀，并隨著拉伸量的不斷增加而變得細長。MLM在沿磁場方向特殊的形狀和拉伸時強大的變形能力賦予了AMLM薄膜良好的機械性能、穩定的循環性能、相對電導率與應變呈線性增長的電學性能，以及極高的拉伸增強的電磁屏蔽性能。當拉伸量為400%時AMLM薄膜在X方向上的SE_TX值能達到80.7dB，比屏蔽性能SSE_T（SE_T/thickness）遠高于其它可拉伸電磁屏蔽材料。

AMLM薄膜具有穩定的電磁屏蔽循環性能，在拉伸量為0-200%和200%-400%范圍內，屏蔽值的相對變化量與應變呈現線性關系。利用這些特性，該研究以電磁波為信號源，設計了一種柔性傳感器件，通過記錄電磁波信號強度的變化，能夠感知人體的運動；并設計了一種具有開/關功能的電磁屏蔽薄膜，通過反復拉伸和釋放薄膜，可以實現電磁波屏蔽和透過兩種功能的快速、可逆切換。為新型的智能電磁屏蔽材料和電磁傳感器提供了一種新思路。

本論文第一作者為北京航空航天大學碩士研究生朱瑞琦。通訊作者為北京航空航天大學劉曉芳副教授（于榮海教授團隊）和中國科學院北京納米能源與系統研究所潘曹峰研究員。該研究得到國家自然科學基金、北京市自然科學基金、光學輻射重點實驗室開放基金和北航青年拔尖人才計劃的資助。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106700

【圖文導讀】

圖1：AMLM薄膜的制備和形貌。

(a) AMLM薄膜合成示意圖。(b) MLM對外部磁鐵的響應。(c, d) AMLM薄膜拉伸、扭轉和彎曲的照片。(e) AMLM薄膜中Fe、Ga和In的SEM圖像和EDS元素分布。比例尺：100 μm。

圖2：顯微結構特征和機械性能。

(a)?IMLM薄膜在0%、100%、300%應變下的光學顯微鏡圖像，以及300%應變下IMLM薄膜的SEM圖像。比例尺：200 μm。 (b) AMLM薄膜在0%、100%、300%應變下的光學顯微鏡圖像，以及AMLM薄膜在300%應變下的SEM圖像。比例尺：200 μm。(c) AMLM、IMLM和純Ecoflex 薄膜的應力-應變曲線。(d) AMLM、IMLM和純Ecoflex薄膜的斷裂伸長率比較。 (e) AMLM、IMLM和純Ecoflex薄膜的彈性模量比較。(f, g)分別為沿X和Y方向拉伸的AMLM薄膜的循環應力-應變曲線。

圖3：電導率隨拉伸應變的變化。

(a) AMLM薄膜拉伸過程中LED亮度變化的照片。(b) AMLM和IMLM薄膜的電導率與拉伸應變曲線。(c) AMLM和IMLM薄膜的相對電導率變化與拉伸應變曲線。(d)用于模擬的AMLM薄膜的2D模型。拉伸方向平行于電流方向。(e)在X方向拉伸的AMLM和IMLM薄膜的X方向電位分布的模擬結果。(f)在Y方向拉伸的AMLM和IMLM薄膜的Y方向電位分布的模擬結果。

圖4：電磁屏蔽性能和相關機制。

(a)測量薄膜散射參數的示意圖。(b)AMLM薄膜在0%、25%、50%、75%、100%、150%、200%、300%和400%不同拉伸應變下的SE_TX。(c)不同拉伸應變下AMLM薄膜的SE_AX和SE_RX的比較。(d)AMLM和IMLM薄膜在不同拉伸應變下的SSE_T比較。(e)AMLM和IMLM薄膜在不同拉伸應變下的SE_AX和SE_RX。(f) AMLM與其他可拉伸電磁屏蔽材料的SSE_T比較。(g)AMLM薄膜反射和吸收電磁波的示意圖。

圖5：智能電磁屏蔽材料和無線電磁波傳感器的電磁響應特性。

(a, b)AMLM薄膜在循環拉伸下的SE_TX和SE_TY。(c)AMLM薄膜(SE_TX/SE_T0)與其他可拉伸屏蔽材料之間應變敏感性的比較。(d)顯示可拉伸屏蔽材料之間比較的雷達圖。(e, f) AMLM-2.5薄膜的SE_TX和SE_TY隨拉伸應變的變化，顯示了開/關可切換的電磁屏蔽功能。(g)與AMLM薄膜、微天線和生物相容性基板集成的柔性電磁波傳感器方案。信號=SE_T/SE_T0。

?【通訊作者簡介】

劉曉芳，女，北京航空航天大學副教授、博士生導師。近年來在高性能、多功能、智能化電磁功能材料和新型儲氫材料研究方面取得了系列進展。劉曉芳副教授以一作/通訊作者在Nat. Catal., Matter, Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Edit., Nano Energy等期刊上發表SCI論文五十余篇，5篇論文入選“ESI高被引論文”，1篇論文入選“熱點論文”；授權國家發明專利6項；主持國家自然科學基金3項、北京市自然科學基金2項、北京市科技計劃課題、裝備預研重點基金等項目，獲北京航空航天大學拔尖人才計劃支持。

潘曹峰，男，研究員，博士生導師。主要從事低維壓電半導體材料與器件的壓電（光）電子學效應及人工觸覺研究。在Nat. Photon.，Chem. Rev.，Nat. Comm.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.等期刊上發表SCI論文190余篇，9篇論文入選“ESI高被引論文”，?1篇論文被評為2018年“中國百篇最具影響力國際學術論文”；授權美國發明專利3項，授權中國專利18項；主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金、中科院、北京市科技創新計劃及北京市自然基金等課題；現任Sci. Bull.和 Nanotechnology副主編。

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