近日，我?？捉芙淌趫F(tuán)隊(duì)在寬帶微波吸收器方向取得了新進(jìn)展，成功發(fā)展了基于二維材料晶界復(fù)合設(shè)計(jì)高性能微波吸收器策略，在超寬頻和超魯棒性電磁波吸收?qǐng)鼍熬哂兄匾獞?yīng)用潛力，研究成果以“2D/2D Coupled MOF/Fe Composite Metamaterials Enable Robust Ultra-Broadband Microwave Absorption”為題發(fā)表在Nature Communications（2024, 15, 5643）上。
隨著5G/5.5G技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致電磁輻射污染持續(xù)加劇，長(zhǎng)期暴露在電磁輻射下對(duì)人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響。吸波材料能有效吸收電磁能量并將其轉(zhuǎn)化為熱能，從而減少輻射的影響，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事設(shè)施以及電子通信等工程領(lǐng)域。然而，隨著吸收目標(biāo)頻帶的拓寬，傳統(tǒng)吸波材料面臨一項(xiàng)嚴(yán)峻的技術(shù)瓶頸，即普朗克-羅扎諾夫極限的限制，這使得它們?cè)谔幚韽?fù)雜環(huán)境時(shí)效果急劇下降。特別是在實(shí)際工程使用中，設(shè)備外形輪廓的改變、電磁波的入射角度和極化方式均可發(fā)生大幅度變化，這導(dǎo)致吸波材料在面對(duì)大角度入射和極化變化時(shí)，吸收電磁波的能力大幅度降低，表現(xiàn)出的非魯棒性成為相關(guān)領(lǐng)域亟待解決的工程技術(shù)挑戰(zhàn)。
面向該實(shí)際工程需求，研究團(tuán)隊(duì)挖掘影響吸波材料魯棒性背后的1到0問(wèn)題，提出磁性材料與介電材料的晶界復(fù)合，是影響材料磁電耦合損耗及阻抗匹配效果的關(guān)鍵因素，而吸波材料與宏觀(guān)三維結(jié)構(gòu)的協(xié)同匹配效果會(huì)進(jìn)一步影響吸波器件的整體吸收效果，因此提出了一種通過(guò)MOF/Fe的2D/2D晶界復(fù)合超材料吸波器制備新策略，成功實(shí)現(xiàn)了高性能超寬頻的微波吸收效果。該吸波器同時(shí)具備出色的魯棒性（即材料在面對(duì)入射角度與極化變化的性能穩(wěn)定性），為設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。通過(guò)三明治狀半導(dǎo)體金屬有機(jī)框架（SC-MOF）與二維鐵材料（FCIP）的2D/2D晶界復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了可靠的磁電耦合網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合獨(dú)特的宏觀(guān)3D超材料設(shè)計(jì)，在厚度僅為9.3 mm的情況下實(shí)現(xiàn)了2-40 GHz的超寬帶吸收。該超材料同時(shí)對(duì)斜入射（4–75°）和極化（TE/TM）具有穩(wěn)定的響應(yīng)。此外，超材料吸波器同時(shí)兼具優(yōu)異的比壓縮強(qiáng)度（201.01 MPa·cm3·g-1）和相對(duì)較低的密度（0.89 g·cm-3）。
研究首先通過(guò)溶劑熱反應(yīng)成功地合成了SC-MOF（CuHT）的2D微片，并進(jìn)一步在溶劑環(huán)境下，通過(guò)晶界化學(xué)鍵合，實(shí)現(xiàn)與二維磁性材料（FCIP）的復(fù)合，得到了一種具有豐富晶體/晶體異質(zhì)結(jié)和強(qiáng)磁電耦合網(wǎng)絡(luò)的三明治狀SC-MOF/Fe材料（CuHT-FCIP）（圖1）。獨(dú)特的2D形貌匹配特性賦予了CuHT和FCIP在磁電性能方面的異常兼容性。DFT理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均完美證明了CuHT-FCIP內(nèi)部大量層間電荷轉(zhuǎn)移途徑的產(chǎn)生，從而引發(fā)了基于磁電耦合機(jī)制的強(qiáng)烈電磁波損耗。
圖1 CuHT-FCIP典型三明治狀復(fù)合微觀(guān)結(jié)構(gòu)的表征及理論計(jì)算表征。（a-e）CuHT、FCIP及其2D/2D復(fù)合體（CuHT-FCIP）的形貌表征；（f）CuHT-FCIP的洛倫茲電鏡表征；（g）CuHT-FCIP的AFM三維表征結(jié)果重建；（h-o）CuHT-FCIP復(fù)合體的DFT理論計(jì)算結(jié)果
基于CuHT-FCIP內(nèi)部豐富的層間磁電耦合效應(yīng)，進(jìn)一步將CuHT-FCIP封裝在低介電的環(huán)氧樹(shù)脂（CuHT-FCIP-EP）中，不同組成的CuHT-FCIP-EP復(fù)合材料在2 GHz至18 GHz范圍內(nèi)能夠?qū)τ行◣掃M(jìn)行有效調(diào)制（圖2）。頻率相關(guān)的介電/磁損耗因數(shù)圖中的同步峰值表示強(qiáng)磁電耦合損耗的出現(xiàn)，預(yù)示著在相應(yīng)頻率下具有很強(qiáng)的電磁波吸收。經(jīng)優(yōu)化后的多組分復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)在不同頻率下的磁電耦合，以及顯著提升的阻抗匹配以合RCS縮減效果。
圖2 CuHT-FCIP-EP復(fù)合材料的電磁性能表征。不同組分比例下CuHT-FCIP-EP的反射損耗圖（a-c）、介電/磁損耗因子圖（d-f）、界面阻抗（g）以及RCS（h）；（i）CuHT-FCIP-EP的性能多維度對(duì)比
單層吸波劑由于因果關(guān)系的約束，仍難以滿(mǎn)足超寬頻電磁吸收的實(shí)際應(yīng)用需求。尤其是當(dāng)入射角變化較大時(shí)，基于色散特性的電磁波吸收材料會(huì)面臨吸收效率顯著下降。3D超材料則能夠協(xié)同材料與結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)勢(shì)，在直接衰減電磁波能量的基礎(chǔ)上通過(guò)結(jié)構(gòu)共振和腔體結(jié)構(gòu)的二次反射進(jìn)一步衰減。因此，作者們進(jìn)一步基于梯度阻抗原則，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種超材料結(jié)構(gòu)單元，協(xié)同上述不同組分材料阻抗匹配特征，實(shí)現(xiàn)了吸波器在整個(gè)2-40 GHz范圍內(nèi)的超寬帶電磁波吸收效果（圖3）。
圖3 CuHT-FCIP-EP超材料吸波器的設(shè)計(jì)。（a）超材料結(jié)構(gòu)示意；（b）超材料阻抗匹配貢獻(xiàn)曲線(xiàn)；（c）超材料表面電場(chǎng)、磁場(chǎng)和能量損耗分布；（d-g）超材料阻抗匹配Smith曲線(xiàn)
遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波反射測(cè)試表明，該超材料吸波器在整個(gè)2-40 GHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了符合模擬預(yù)期的電磁波強(qiáng)吸收效果。此外，作者們還評(píng)估了不同偏振和斜入射角下電磁波吸收的魯棒性（圖4）。在TE模式下，吸波器在4°至60°范圍內(nèi)的所有情況下均可實(shí)現(xiàn)38 GHz的EAB。即使在增加至75°入射角的情況下，它仍然保持超過(guò)34.2 GHz的EAB。此外，在TM模式下表現(xiàn)同樣出色。
圖4 CuHT-FCIP-EP超材料吸波器的實(shí)測(cè)性能驗(yàn)證。（a）超材料模擬與實(shí)測(cè)反射曲線(xiàn)；（b）超材料實(shí)物圖；（c）超材料性能比較；（d-f）超材料在TE/TM及不同角度下的反射率圖；（h）超材料電磁吸收機(jī)理假設(shè)；（i）超材料的綜合密度
基于二維半導(dǎo)體MOF與二維鐵磁材料的強(qiáng)2D/2D磁電耦合損耗機(jī)制所制備的電磁超材料展現(xiàn)出超強(qiáng)的電磁吸收魯棒性。此項(xiàng)設(shè)計(jì)策略打破了傳統(tǒng)吸波材料所持續(xù)面臨的吸波帶寬、角度與極化的設(shè)計(jì)限制，同時(shí)簡(jiǎn)單可放大的制備工藝和優(yōu)異的綜合機(jī)械性能使其在未來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)方面具備獨(dú)特應(yīng)用前景。
該項(xiàng)工作得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等資助。西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士生屈寧和孫寒旭為第一作者，孔杰教授、邢瑞哲博士為通訊作者。
全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49762-4
（來(lái)源：化學(xué)與化工學(xué)院；審核：孔杰）
