北京航空航天大学刘晓芳/于荣海团队Nano Energy:用于可穿戴传感器件和智能电磁屏蔽的各向异性磁性液态金属薄膜

【引言】

电磁波是现代社会信息和数字技术的基石，但它在传输信号的同时，也会产生电磁辐射污染，从而干扰电子设备的运行、威胁人体的健康。因此，开发能够合理利用电磁波、防止电磁辐射污染的电磁功能材料（如电磁传感器、电磁屏蔽材料等）成为具有实际意义的热点话题。随着可拉伸、可穿戴电子器件的快速发展，能与其集成的电磁功能材料需要具备超薄、可拉伸、高导电性的特点。当前可应用于电磁屏蔽的导电薄膜主要基于MXene、石墨烯、金属微纳米线/颗粒等高电导率材料制备，但这种薄膜在弯曲和拉伸时电磁屏蔽性能会由于电导率的降低而下降，在可拉伸、可穿戴电器中应用时有电磁屏蔽失效的风险；此外，如何利用其对电磁波的动态响应进一步构造可穿戴电磁功能器件仍是一项挑战。

【成果简介】

近日，北京航空航天大学材料学院刘晓芳副教授团队和中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员联合报道了一种具有各向异性的磁液态金属薄膜，具备拉伸增强的电磁干扰屏蔽性能，并利用薄膜的应变敏感性，设计了两种柔性电磁功能材料。一种为开关式电磁屏蔽材料，通过反复拉伸和释放薄膜，可实现电磁波屏蔽和透射的快速可逆切换；另一种为以电磁波为信号的传感器，可通过记录电磁波信号强度监测人体活动。相关成果以“Anisotropic magnetic liquid metal film for wearable wireless electromagnetic sensing and smart electromagnetic interference shielding”为题，发表在Nano Energy (2022，92，106700)上。

本文将Fe引入高导电性的液态金属中制备了磁性液态金属填充物（MLM），通过将MLM与高拉伸性的Ecoflex橡胶均匀混合后放置在外加磁场下进行固化，得到了最大断裂伸长率能达到600%的高可拉伸性各向异性电磁屏蔽薄膜（AMLM），此薄膜中的MLM明显沿着磁场进行了取向，且大多呈椭球状或棒状，并随着拉伸量的不断增加而变得细长。MLM在沿磁场方向特殊的形状和拉伸时强大的变形能力赋予了AMLM薄膜良好的机械性能、稳定的循环性能、相对电导率与应变呈线性增长的电学性能，以及极高的拉伸增强的电磁屏蔽性能。当拉伸量为400%时AMLM薄膜在X方向上的SE_TX值能达到80.7dB，比屏蔽性能SSE_T（SE_T/thickness）远高于其它可拉伸电磁屏蔽材料。

AMLM薄膜具有稳定的电磁屏蔽循环性能，在拉伸量为0-200%和200%-400%范围内，屏蔽值的相对变化量与应变呈现线性关系。利用这些特性，该研究以电磁波为信号源，设计了一种柔性传感器件，通过记录电磁波信号强度的变化，能够感知人体的运动；并设计了一种具有开/关功能的电磁屏蔽薄膜，通过反复拉伸和释放薄膜，可以实现电磁波屏蔽和透过两种功能的快速、可逆切换。为新型的智能电磁屏蔽材料和电磁传感器提供了一种新思路。

本论文第一作者为北京航空航天大学硕士研究生朱瑞琦。通讯作者为北京航空航天大学刘晓芳副教授（于荣海教授团队）和中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员。该研究得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金、光学辐射重点实验室开放基金和北航青年拔尖人才计划的资助。

文章链接：

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

【图文导读】

图1：AMLM薄膜的制备和形貌。

(a) AMLM薄膜合成示意图。(b) MLM对外部磁铁的响应。(c, d) AMLM薄膜拉伸、扭转和弯曲的照片。(e) AMLM薄膜中Fe、Ga和In的SEM图像和EDS元素分布。比例尺：100 µm。

图2：显微结构特征和机械性能。

(a) IMLM薄膜在0%、100%、300%应变下的光学显微镜图像，以及300%应变下IMLM薄膜的SEM图像。比例尺：200 µm。 (b) AMLM薄膜在0%、100%、300%应变下的光学显微镜图像，以及AMLM薄膜在300%应变下的SEM图像。比例尺：200 µm。(c) AMLM、IMLM和纯Ecoflex 薄膜的应力-应变曲线。(d) AMLM、IMLM和纯Ecoflex薄膜的断裂伸长率比较。 (e) AMLM、IMLM和纯Ecoflex薄膜的弹性模量比较。(f, g)分别为沿X和Y方向拉伸的AMLM薄膜的循环应力-应变曲线。

图3：电导率随拉伸应变的变化。

(a) AMLM薄膜拉伸过程中LED亮度变化的照片。(b) AMLM和IMLM薄膜的电导率与拉伸应变曲线。(c) AMLM和IMLM薄膜的相对电导率变化与拉伸应变曲线。(d)用于模拟的AMLM薄膜的2D模型。拉伸方向平行于电流方向。(e)在X方向拉伸的AMLM和IMLM薄膜的X方向电位分布的模拟结果。(f)在Y方向拉伸的AMLM和IMLM薄膜的Y方向电位分布的模拟结果。

图4：电磁屏蔽性能和相关机制。

(a)测量薄膜散射参数的示意图。(b)AMLM薄膜在0%、25%、50%、75%、100%、150%、200%、300%和400%不同拉伸应变下的SE_TX。(c)不同拉伸应变下AMLM薄膜的SE_AX和SE_RX的比较。(d)AMLM和IMLM薄膜在不同拉伸应变下的SSE_T比较。(e)AMLM和IMLM薄膜在不同拉伸应变下的SE_AX和SE_RX。(f) AMLM与其他可拉伸电磁屏蔽材料的SSE_T比较。(g)AMLM薄膜反射和吸收电磁波的示意图。

图5：智能电磁屏蔽材料和无线电磁波传感器的电磁响应特性。

(a, b)AMLM薄膜在循环拉伸下的SE_TX和SE_TY。(c)AMLM薄膜(SE_TX/SE_T0)与其他可拉伸屏蔽材料之间应变敏感性的比较。(d)显示可拉伸屏蔽材料之间比较的雷达图。(e, f) AMLM-2.5薄膜的SE_TX和SE_TY随拉伸应变的变化，显示了开/关可切换的电磁屏蔽功能。(g)与AMLM薄膜、微天线和生物相容性基板集成的柔性电磁波传感器方案。信号=SE_T/SE_T0。

 【通讯作者简介】

刘晓芳，女，北京航空航天大学副教授、博士生导师。近年来在高性能、多功能、智能化电磁功能材料和新型储氢材料研究方面取得了系列进展。刘晓芳副教授以一作/通讯作者在Nat. Catal., Matter, Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Edit., Nano Energy等期刊上发表SCI论文五十余篇，5篇论文入选“ESI高被引论文”，1篇论文入选“热点论文”；授权国家发明专利6项；主持国家自然科学基金3项、北京市自然科学基金2项、北京市科技计划课题、装备预研重点基金等项目，获北京航空航天大学拔尖人才计划支持。

潘曹峰，男，研究员，博士生导师。主要从事低维压电半导体材料与器件的压电（光）电子学效应及人工触觉研究。在Nat. Photon.，Chem. Rev.，Nat. Comm.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.等期刊上发表SCI论文190余篇，9篇论文入选“ESI高被引论文”， 1篇论文被评为2018年“中国百篇最具影响力国际学术论文”；授权美国发明专利3项，授权中国专利18项；主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、中科院、北京市科技创新计划及北京市自然基金等课题；现任Sci. Bull.和 Nanotechnology副主编。

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