北大刘忠范院士，最新AM！

研究背景

各种电子设备和无线通信网络的蓬勃发展，以一种看不见、摸不着的方式给内部或外部电子元件和周围环境带来了电磁干扰问题。抗电磁干扰EMI技术可以有效地防止电子设备的故障和性能退化，并可靠地保护人类健康和周围环境，对于电子、汽车、航空航天等领域的应用是必不可少的。材料的高效EMI屏蔽主要依赖于:(1)由于表面自由电荷载流子与EM场相互作用而产生的EMW反射；(2)基于与EM场相互作用的电偶极子和磁偶极子的EMW吸收，以及来自磁性材料的磁共振和涡流，以及(3)多重内部反射。以前，金属和金属复合材料通常用作EMI屏蔽材料，因为它们具有显著的EMI SE。磁性纳米颗粒-导电聚合物复合材料也作为传统的金属替代材料用于EMI屏蔽，并表现出良好的性能。然而，上述材料的劣等性极大地限制了在抗EMI领域的实际应用，主要是因为其重量大、频带有限的响应、脆性和非适应性以及金属腐蚀。碳基纳米材料因其独特的性能，如高导电性、耐腐蚀性和重量轻，有望成为最有潜力的EMI屏蔽金属外壳替代品之一。石墨烯是一种二维碳层，由于其优异的电子和机械性能以及高度可及的表面/界面，自然引起了人们对该主题的极大兴趣。大多数先前报道的石墨烯材料(例如，石墨烯薄膜、石墨烯泡沫、石墨烯纳米片等。)显示出优异的电磁波反射，符合高导电材料的主要EMI屏蔽机制。然而，考虑到薄碳层的电磁波吸收能力较弱，这种石墨烯屏蔽层表现出有限的SE。

也有研究人员报道了基于石墨烯材料提高用于消除不利电磁波的微波吸收能力。利用2D石墨烯片构建石墨烯三维互连网络，宏观的三维自支撑石墨烯泡沫表现出良好的微波吸收性能。然而，其吸收不稳定、吸收范围窄、稳定性差、负载量大等缺点严重阻碍了其实际应用。迄今为止，杂化铁氧体和将杂原子掺杂到石墨烯晶格中是很好地匹配石墨烯基屏蔽层的特性阻抗和诱发铁磁(FM)力矩的有效方法，从而实现高性能的EMI屏蔽。然而，受原始石墨烯性质的限制，以前的研究只考虑了EMI屏蔽效率或带宽抗EMI响应中的一个，但迄今为止无法同时兼容这两个关键目的。以超宽带强抗电磁干扰技术为目标的具有高导电性和铁磁性优点的组装宏观石墨烯屏蔽至今仍难以实现。

成果简介

具有超高屏蔽效率(SE)的柔性电磁干扰(EMI)屏蔽材料对于高速电子设备来说是非常期望的，以衰减辐射发射。然而，为了阻止其内部或外部EMI场的干扰，金属外壳遭受相对低的SE、频带受限的抗EMI响应、差的耐腐蚀性以及对给定电路的复杂几何形状的不适应性。

近日，北京大学&北京石墨烯研究院刘忠范、亓月、chen ke联合莱特州立大学电气工程系吴志强课题组报道了一种宽带、强EMI屏蔽响应织物，该织物基于高度结构化的铁磁石墨烯石英纤维(FGQF)，通过调制掺杂化学气相沉积(CVD)生长工艺制成。对石墨氮掺杂结构的精确控制赋予了特定设计的石英织物上的石墨烯涂层高电导率(3906 S·cm^-1)和高磁响应性(300 k下的饱和磁化强度约为0.14 emu/g)，从而获得了EMI屏蔽和电磁波(EMW)吸收的协同效应，用于宽带抗EMI技术。

通过在毫米厚的石英织物上配置约20纳米厚的石墨烯涂层，大型耐用FGQF在宽带频率(1–18 GHz)上表现出约107 dB的非凡EMI SE。这项工作使得开发工业规模、柔性、轻质、耐用的超宽带强屏蔽材料应用在柔性反电子侦察、反辐射和隐身技术中成为可能。这项工作以“Ultra-broadband Strong Electromagnetic Interference Shielding with Ferromagnetic Graphene Quartz Fabric”为题发表在国际顶级期刊《AM》上。

图文导读

图1. FGQF的生长和表征

图2. N掺杂石墨烯在石英织物上的可控生长及其生长机理

本文采用直接化学气相沉积法制备了10 × 0.5 m²柔性、高导电、铁磁的超宽带强电磁屏蔽石墨烯石英织物。在精心设计的生长策略下，通过向连续卷对卷CVD系统中引入碳和氮前驱体，可以在具有特定编织结构的石英织物上成功合成高质量的石墨氮掺杂石墨烯。高度导电的石墨氮掺杂石墨烯层(~3906 S·cm^–1)表现出EMW的强反射能力。更重要的是，石墨烯晶格中的石墨N-替位掺杂实现了局域磁有序和FM的调制，尽管本征石墨烯没有显示出铁磁性。

第一性原理计算和磁性测量进一步表明，N取代能级约为6.3 at. %的石墨氮掺杂石墨烯层可以在300 K下感应高达~0.14 emu/g的饱和磁化强度。氮掺杂石墨烯层通常被认为是有效的EMW吸收剂。这种由优异的导电性和铁磁性产生的协同效应对于EMI屏蔽和EMW吸收都是有益的。因此，约2.3微米厚的FM石墨烯膜显示出约58 dB的极高EMI SE。特别是，厚度仅为约1 mm的FGQF在宽频(1–18 GHz)范围内表现出约107 dB的出色EMI SE，这源于上述协同效应，以及织物组织内部独特的多重EMW反射和多通道EMW吸收。

在具有特定5/2缎纹和缎纹组织结构的石英织物上生长了高结晶度的石墨烯涂层。图1a展示了石英织物上的FM石墨烯涂层，其具有二氧化硅经纬编织的准周期结构。FGQF的连续批量生产是基于可设计的工业上可实施的卷对卷CVD系统，以0.05至最大0.2米/分钟的可控轧制速度实现的(图1b)。通过扫描电子显微镜(SEM)观察FGQF框架的交叉部位(图1c，d ),证实石墨氮掺杂石墨烯完全覆盖在石英织物的表面上，并且石英织物的完整形态被很好地保留。典型的拉曼光谱(图1e)显示了尖锐的G模式和2D模式峰，表明N掺杂石墨烯涂层的高结晶质量(可观察到的D峰主要归因于N掺杂和有缺陷的石墨烯畴界)。

图3. FGQF的电学特性和EMI SE性能

图4. 机理分析

FGQF系统中的主要EMI屏蔽机制如图4所示。FGQF的电磁屏蔽能力源于其高导电性、铁磁性和特殊的编织结构。当EMW到达FGQF表面时，由于与FM石墨烯表面自由载流子的相互作用，一部分被反射。剩余的EMW将进入FGQF的内部，因为空气和FGQF的界面处的优化阻抗匹配具有优良的导电网络，并且将通过5/2缎和棉缎编织的特定结构进一步消散。随后，入射到FGQF中的EMW将通过编织超结构中的多重内反射和来自具有高导电性和磁导率的FM石墨烯层的吸收而被衰减。更具体地说，对于单个FM石墨烯石英纤维(直径约7微米)，EMW将经历相邻纤维阵列内的多次反射，然后将被FM石墨烯多层内的高效吸收/多次反射衰减。

总结展望

综上所述，作者首次报道了通过CVD生长工艺制备大尺寸(10 × 0.5 m²)、柔性和耐用的具有超宽带强EMI屏蔽能力的FGQF。石英纤维上合成的石墨氮掺杂石墨烯涂层结合了高导电性和铁磁性，以获得EMI屏蔽和EMWs吸收的协同效应，以及织物的特定编织超结构，以引入EMWs的额外多次反射和多通道吸收。

第一性原理计算表明，石墨氮掺杂石墨烯可以触发FM有序化，FM石墨烯表现出高磁响应性，在300 K下饱和磁化强度约为0.14 emu/g，这导致厚度仅为约2.3 μm的FM石墨烯具有约58 dB的极高EMI SE。厚度仅为约20 nm的FM石墨烯，特别是约1 mm厚的FGQF，在宽带频率(1–18 GHz)上表现出约107 dB的优异EMI SE。这项工作不仅在柔性反电子侦察、反辐射和隐身技术的潜在高级应用中开发了工业规模的柔性、轻质、耐用和超宽带强屏蔽材料，而且提供了传统工业材料与前沿2D材料相结合的范例，以促进其在不久的将来的产业化和商业化。

文献信息

Ultra-broadband Strong Electromagnetic Interference Shielding with Ferromagnetic Graphene Quartz Fabric. (Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202202982)

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202982

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