研究背景
在信息社会，电磁波作为信息传播的重要媒介，已经覆盖到生产生活的方方面面。随着运行在GHz 频段的5G甚至6G 无线通信网络的快速发展和便携式设备的繁荣电磁污染问题已经上升到前所未有的高度。
集成电路作为现代信息社会的基石，随着摩尔定律的飞速发展，单个芯片集成了数以亿计的晶体管。同时，另一方面，三维异构微系统堆栈集成了大量存储器、转换器、传感器、微核处理器等电子器件。这种高密度集成最大限度地提高了系统的性能，但同时也在器件之间引入了严重的电磁干扰(EMI)，特别是在片上系统(SoC)、系统级封装(SIP)、射频集成电路(RFIC)和模拟电路中。EMI 可能导致部分系统的正常运行失效，从而对集成电路的可靠性提出了巨大的挑战。此外，EMI 还对人体健康产生一定的危害。研究表明，大量的电磁辐射会引起包括各种癌症、老年痴呆症、生殖系统损伤等一系列疾病，此外还会使人心悸多梦、焦虑加重，产生心理问题。
近年来，随着柔性电子研究的发展，人们对柔性可穿戴设备提出了更高的要求。可穿戴设备应能够保持柔性，同时保持设备性能，因为设备性能会受到特定变形情况(如弯曲、折叠挤压和拉伸)对活动关节和其他部件的轻微影响。因此，用于可穿戴设备的 EMI 屏蔽膜应确保在特定的拉伸或压缩幅度下，EMI 屏蔽效率(EMISE)仍能高于所需的最小值，因为这是敏感元件正常工作的重要保证之一。以金属网和氧化物薄膜夹超薄银层为代表的柔性EMI屏蔽膜具有薄、透、高SE 的特点，从而为光电应用提供了在射频辐射下稳健的安全性和可靠性。同样，以石墨烯和银纳米线(AgNWs)为导电填料制备的柔性屏蔽膜也具有柔性和透明的特点。同时，取代弹性基体后，通过与导电网络的匹配可以形成弹性屏蔽膜。此外，与之前广泛研究的可折叠、可卷绕的屏蔽材料相比，弹性 EMI屏蔽材料在关节等人体活动较为频繁的部位，特别是超声成像仪和触觉模拟的舒适性方面有明显改。因此，柔性可穿戴设备的发展取决于可拉伸/可压缩EMI 屏蔽弹性体的创造。因此，电磁防护的一个关键目标是开发具有大变形能力的新型可拉伸和可压缩 EMI屏蔽材料，以保护敏感物体，提高对人的安全保护以及电子设备的正常运行。
研究成果
随着电子通信技术在集成电路系统和可穿戴设备中的广泛应用，电磁干扰(EMI)急剧增加传统刚性电磁干扰屏蔽材料的缺点是脆性大、舒适性差、不适合保形和变形应用。迄今为止柔性(特别是弹性)纳米复合材料因其优异的可变形性而引起了人们的极大兴趣。然而，目前柔性屏蔽纳米复合材料的机械稳定性和回弹性较低，电磁干扰屏蔽性能相对较差，多功能性有限。西安电子科技大学Wei Wei & Jingjing Chang教授等人概述了低维电磁干扰屏蔽纳米材料基弹性体的研究进展，并选取了一些最突出的例子进行了讨论。并总结了相应的改性策略和变形性能。最后，讨论了对这一快速增长领域的期望以及未来的挑战。相关报道以“Flexible Nanocomposite Conductors for Electromagnetic Interference Shielding”为题发表再Nano-Micro Letters期刊上。
综述要点
1. 从制备、机械弹性和屏蔽性能等方面详细讨论了柔性(可拉伸/可压缩)电磁干扰屏蔽纳米复合材料的候选材料。
2. 详细总结了材料变形与电磁屏蔽性能之间的关系。
3. 强调了开发柔性 (特别是弹性) 屏蔽纳米复合材料的未来方向和挑战。
图文导读
Fig. 1 Schematic of the materials and applications of flexible nanocomposite conductors for EMI shielding.
Fig. 2 EMW propagation model in EMI shielding material under stretching.
Fig. 3 a Tensile strength–strain of stretchable materials. Inserts are representation of tensile load to a wire and corresponding equations. b Compressive strength–strain curves of compressible materials. Inserts are the schematic diagram showing the compression-recovery process.
Fig. 4 Commonly used electronic fillers for elastic EMI shielding materials.
Fig. 5 Nanoparticle based elastic EMI shielding composites.
总结与展望
为了成功开发耐用、高效的电磁干扰屏蔽弹性体，有必要生产具有高导电性和机械弹性的功能材料。本综述从制造技术、前/后处理和物理性质(如厚度、密度、导电性、电磁波损耗能力、可拉伸性/可压缩性和内部结构)等方面对有前景的候选功能材料进行了评估。以下是功能材料的发展方向和面临的一些挑战。
(1) 协同效应：大多数功能材料各有优缺点。因此，无论是从EMI SE 还是从力学角度来看，单一材料结构都是 EMI 屏蔽材料难以逾越的障碍。然而，将其中一种填料与另一种性能差异较大的填料协同构建弹性 EMI屏蔽材料，有时可以有效解决单一材料存在的问题，从而提高材料的整体性能。最关键的协同策略是将磁性填料与高导电性填料混合，以共同施加磁损耗和传导损耗，从而进一步提高电磁干扰屏蔽性能，这是任何一种填料都无法单独做到的。因此，"1+1>2"的协同效应可以通过不同功能材料的有效组合来实现，但这一课题仍有待系统研究，以充分发挥其潜力。
(2) 弹性：对于可拉伸 EMI 薄膜，用于形成渗流网络导电的纳米填料可以有效提高材料的拉伸性能，但其局部导电网络会随着拉伸范围的增大而断裂，从而使 EMI 屏蔽性能下降，甚至整体断裂。同时，在超大规模拉伸过程中，纳米填料根本无法维持 EMI 屏蔽能力。目前，只有LM 由于其自身的特性，可以实现400%以上的有效拉伸，并具有较高的EMI 屏蔽能力，从而打破了渗流网络的束缚。因此，未来最热门的研究领域之一将是寻找能够实现大规模拉伸的新型功能材料。对于压缩材料而言，最大的挑战是如何在对可压缩材料进行大规模、多循环压缩后实现结构的完整性和稳定的EMI屏蔽性能。
(3) 稳定性：目前，大多数EMI 屏蔽膜已经达到了非常有效的屏蔽 EMI 干扰的效果。然而，对EMI 屏蔽稳定性的研究还不够深入和有序，而这正是EMI屏蔽膜上市所必需的。此外，由于聚合物基体通常具有很强的耐久性，将功能部件封装起来，使其与氧气和水有效隔离是一种有效的策略。在此基础上，使用石墨烯等纳米材料封装金属纳米线也是重要的方法之一。在提高金属纳米线的热稳定性和化学稳定性的同时，不会导致材料整体重量的显著增加。
(4) 多功能：对于不同的应用场景，人们更希望 EMI 屏蔽膜还具有其他功能。对于可穿戴设备而言，精确的传感对于监测人体活动至关重要。同时，及时散发积聚热量的能力可以最大限度地提高设备的舒适度。薄膜变形导致的导电填料排列重排对弹性 EMI屏蔽膜的散热有显著影响，可进一步用于热管理。同时，对于物联网等应用场景，可以在不影响原有物品观感的情况下使用合适的透明度。因此，多功能弹性 EMI 屏蔽材料的开发将进一步扩大其应用范围。总的来说，这种具有独特机械性能的弹性材料将是未来 EMI 屏蔽领域的潜在候选材料。
希望通过本次综述，能够对独特弹性体屏蔽的障碍和未来发展潜力有一个全面的了解，并为下一代EMI屏蔽材料的开发提供更多新的可能性。
文献链接
Flexible Nanocomposite Conductors for Electromagnetic Interference Shielding
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01122-5
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