背景介绍

无线便携设备和5G、6G以及未来7G通信技术的高速发展，给人类生活带来便利的同时也不可避免地产生大量电磁辐射，引发严重的电磁信息泄漏问题并对精密电子元器件产生严重电磁干扰，甚至危害人体健康。因此，亟需开发新型电磁功能材料用于解决现代军事和民用领域电磁波污染问题。石墨烯基材料因其优异的结构和电磁性能，成为最有前景的电磁屏蔽和吸波材料。对石墨烯基材料进行微结构设计和电磁性能优化，可提高电磁能量的衰减和转换效率，并有望开发新一代“轻、薄、宽、强”的新型电磁功能材料。

成果介绍

近日，浙江大学高超教授团队在《Advanced Functional Materials》期刊在线发表“A Review on Graphene-Based Electromagnetic Functional Materials：Electromagnetic Wave Shielding and Absorption”为题的综述文章（DOI: 10.1002/adfm.202204591）。论文第一作者为浙江大学博士生夏雨星，通讯作者为浙江大学高超教授和高微微副教授。系统评述了石墨烯基材料在电磁屏蔽和吸波领域的应用，总结了石墨烯基电磁功能材料多尺度设计策略，包括分子尺度、微纳尺度、宏观尺度以及多尺度组装设计策略（图1），这些策略对于指导设计高性能电磁屏蔽和吸波材料具有重要意义。此外，综述了石墨烯宏观组装材料在电磁屏蔽和吸波领域的最新研究进展。最后，对这一快速发展领域当前的挑战和未来的方向进行了预测和讨论。

图1. 石墨烯基电磁功能材料的多尺度设计策略及应用。

    电磁波衰减机制主要包括介电损耗、磁损耗以及磁-介电协同效应。介电损耗主要包括电导损耗和极化损耗。其中，电导损耗主要通过石墨烯网络中电子的迁移和跃迁两种传输模式衰减电磁能量。极化损耗主要由本征官能团，缺陷和空位产生的偶极子极化和异质界面极化引起。异质界面极化对于设计多元组成复合物实现高效电磁屏蔽和吸波性能有着重要意义。此外，电磁波在多层石墨烯纳米片间被多重反射有利于增加其在材料内部的传播路径，进一步促进能量衰减。

图2. 石墨烯基功能材料的电磁波损耗机理。

作为一种分子尺度的设计策略，晶格缺陷工程包括官能团去除和异质杂原子掺杂，可以用来调节石墨烯基材料的介电性能。通过控制还原程度和杂原子掺杂等调控方式有利于增强极化损耗，为开发新型石墨烯基电磁功能材料提供了可行性。

图3. 分子尺度设计策略。

石墨烯片具有大的比表面积，是磁性纳米粒子和一维介电材料以及其它二维材料的理想载体，有利于引入多重损耗形式和促进异质界面的形成。在纳米尺度，异质界面的调制可通过成分优化和结构设计（如核壳结构）实现高效电磁衰减。

图4 纳米尺度设计策略。

在微观尺度上，通过优化导电网络结构可充分发挥导电填料的损耗能力。合理的微观网络设计对于制备具有优异电磁屏蔽和吸波性能的石墨烯基功能材料至关重要。

图5 微观尺度设计策略。

在宏观尺度上，通过对石墨烯材料的几何尺寸进行精确调控，以实现高效的电磁波吸收和屏蔽。其中，具有梯度阻抗结构的电磁超材料和梯度电导率设计的宏观组装材料备受关注，其电导率沿电磁波传播方向逐渐增加，从而增强了阻抗匹配和电磁波衰减性能。

图6 宏观尺度设计策略。

在不同尺度上同时调制石墨烯基材料的微观结构和电磁特性，可在损耗能力和阻抗匹配之间取得平衡，以实现高效的电磁波吸收。三维石墨烯宏观组装体可通过多元异质成分并结合优化的微观网络结构同步提高电磁衰减性能。

图7. 多尺度设计策略。

结论与展望

石墨烯基功能材料因其优异的结构和电磁特性，广泛用于电磁功能材料和器件设计，并取得了一系列进展。然而，目前该领域仍存在一些挑战需要解决，以满足未来复杂的电磁环境的需求。主要包括：1. 需开发先进的表征技术进一步探索石墨烯结构和电磁响应机理。2.微观结构的多样性仍受到制备方法和理论模型的限制。需开发并结合先进的制造技术丰富微观结构。优化理论模型以精准指导下一代石墨烯基电磁功能材料的结构设计。3. 为适应复杂的电磁环境，实现智能响应以及在极端环境中的应用，需要设计具有动态可调电磁吸收性能以及超宽吸收波段的石墨烯基功能材料。4. 需开发具有低反射率的“绿色电磁屏蔽材料”减轻对环境的二次污染。石墨烯基材料的多尺度设计策略为新型电磁功能材料的开发提供了可能。石墨烯基电磁功能材料在电子信息、智能器件、航空航天、能源等高科技领域具有极其光明的前景和巨大的实用潜力。该工作得到了国家自然科学基金重大项目、面上项目等基金的资助。

相关链接：

2022 - 夏雨星~Adv Funct Materials - A Review on Graphene‐Based Electromagnetic Functional Materials  Electromagnetic Wave.pdf