这个“三明治”，登上Nature，史上最强电磁屏蔽材料！

超薄高性能电磁屏蔽材料突破

随着智能电子设备向小型化、便携化和可穿戴化发展，电子元件的厚度不断缩减，这对电磁干扰屏蔽技术提出了前所未有的挑战。传统的金属屏蔽罩体积庞大，无法满足现代集成电路芯片的轻薄化需求。尽管研究人员尝试通过在多孔金属或MXene材料中引入孔隙结构来提升屏蔽效能，但这些方法往往伴随着厚度增加、均匀性差以及与现有封装工艺不兼容等问题，限制了其在芯片级钝化中的应用。

近日，韩国首尔大学Young-Chang Joo、光州科学技术院Hanwool Yeon合作，提出了一种革命性的电磁屏蔽方案：将无孔MXene薄膜嵌入金属薄膜中，构建出“金属-MXene-金属”三明治结构的超薄屏蔽层。该结构在仅1微米厚度下即可实现约70分贝的屏蔽效能，1.9微米时可达80分贝，性能远超当前最先进的屏蔽材料。其卓越性能源于金属与MXene之间电导率不匹配所形成的电磁波限制效应，使电磁波在MXene层内发生多次内反射并被有效吸收，从而突破了传统屏蔽材料在厚度缩减时性能下降的瓶颈。相关论文以“Electromagnetic interference shielding using metal and MXene thin films”为题，发表在

Nature

图1展示了EXIM屏蔽层在解决“性能-厚度”矛盾方面的突破性优势。与传统金属屏蔽罩和多孔屏蔽材料相比，EXIM结构兼具超薄厚度与高屏蔽效能，其弯曲曲率极限可达1 mm⁻¹，弹性应变极限约1.5%，显示出优异的柔性与贴合性。扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像清晰显示出其层状堆叠结构，金属与MXene界面清晰，无孔隙，且通过自组装单分子层和TiOₓ纳米团簇等粘附促进剂实现了良好的界面结合。

图1 | EXIM屏蔽层解决性能-厚度矛盾 a：传统电磁屏蔽策略的局限性及EXIM屏蔽层的关键特性示意图。 b：屏蔽层在集成电路芯片上的贴合性随厚度变化的分析模型。 c：1.9微米厚EXIM屏蔽层在X波段条件下的屏蔽效能。 d：平均总屏蔽效能随屏蔽层厚度的基准对比。 e, f：柔性基底上的1微米厚EXIM屏蔽层：截面SEM与TEM图像显示六层Cu–MXene异质界面；屏蔽层可弯曲至1 mm⁻¹曲率而无明显机械损伤，其弹性应变极限约为1.5%。

图2系统研究了金属与MXene薄膜堆叠对屏蔽性能的影响。研究发现，单纯的铜或MXene薄膜的屏蔽效能随厚度线性增加，而将两者以三明治结构堆叠后，屏蔽效能显著提升，表现出协同增强效应。这种增强主要来自于吸收屏蔽效能的提升，说明EXIM结构有效促进了电磁波在内部的多次反射与吸收。研究还进一步揭示了其工作机制：金属与MXene界面形成电磁波限制“壁”，MXene层内的表面偶极子和界面偶极子通过极化损耗实现对电磁波的有效衰减。

图2 | 多种异质结构EXIM屏蔽层的开发 a：Cu与Ti₃C₂Tₓ MXene薄膜的平均屏蔽效能随厚度变化。 b：Cu与MXene薄膜堆叠顺序对屏蔽效能的影响。 c：EXIM、Cu和MXene屏蔽层总屏蔽效能的重复测量结果。 d, e：EXIM屏蔽层中多次内反射吸收机制示意图：金属与MXene之间的高电导率差异形成电磁限制壁；偶极介导的波吸收通过表面偶极旋转和/或界面偶极位移实现。 f–h：三明治结构中材料配置对协同屏蔽效能的影响：EXIM屏蔽层的壁金属、Cu薄膜中嵌入材料、EXIM结构中MXene厚度。

图3进一步表明，通过增加金属-MXene异质界面的数量，可以在不增加总厚度的情况下显著提升屏蔽效能。例如，具有12个异质界面的1.9微米厚EXIM屏蔽层平均屏蔽效能可达80分贝，满足军用标准。此外，研究团队还在EXIM结构表面引入Cr-Al双层金属覆盖层，有效提升了其在高温高湿环境下的抗氧化性与稳定性，使其在实际应用中更具可靠性。

图3 | 屏蔽性能与环境稳定性的提升 a, b：Cu与Ti₃C₂Tₓ MXene薄膜的多层异质堆叠：X波段条件下的屏蔽效能曲线；平均屏蔽效能随Cu–MXene异质界面数量的变化。 c–e：Cr–Al覆盖层提升环境稳定性：EXIM屏蔽层在105°C空气中退火后总屏蔽效能变化；用于高湿条件下电阻映射的5×5两端电阻阵列示意图与实物图；有无Cr–Al层时电阻分布与薄膜颜色变化。

图4展示了EXIM屏蔽层在实际电子设备中的应用效果。在USB 3.0闪存盘的芯片屏蔽测试中，1微米厚的EXIM屏蔽层能有效抑制电磁噪声，保障蓝牙信号的完整传输，其效果优于16微米厚的铝箔。在柔性ZnO肖特基二极管的屏蔽实验中，EXIM屏蔽层能将电磁噪声引起的峰值电流从超过100 nA降至5 nA以下，显著优于同等厚度的纯MXene屏蔽层，显示出其在高端柔性电子器件中的巨大应用潜力。

图4 | EXIM屏蔽层的应用 a–d：USB 3.0闪存盘的屏蔽测试：实验设置示意图；蓝牙音箱受电磁噪声干扰的演示；屏蔽对蓝牙信号完整性的影响；16微米厚铝箔与1微米厚EXIM屏蔽层的代表性屏蔽效能曲线。 e–i：柔性肖特基二极管的屏蔽：125微米厚PI基底上的交叉点ZnO肖特基二极管；无线充电座诱导电磁噪声；1微米厚EXIM屏蔽层贴合覆盖器件区域；电磁噪声引起的电流波动测量；不同屏蔽条件下基极电流变化分析。

综上所述，这项研究通过将MXene与金属薄膜以异质堆叠方式结合，成功解决了超薄电磁屏蔽材料在性能与厚度之间的固有矛盾。EXIM屏蔽层不仅具备优异的柔性、均匀性和工艺兼容性，还能通过界面工程设计实现屏蔽性能的精准调控。该技术有望为下一代微型化、高性能电子设备提供可靠的电磁防护解决方案，推动无处不在的电子产品的实现。