研究背景

先進電子設(shè)備和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，給人們的生活帶來了極大的便利，但同時也產(chǎn)生了不可忽視的電磁輻射污染。這種污染會嚴重干擾周圍電子元件的正常工作，降低信息安全和通信質(zhì)量，危害人體健康。開發(fā)先進的電磁波(EMW)吸波材料是解決這一問題的最有效途徑之一，這些材料通常具有重量輕、吸波強、厚度薄、帶寬寬等特點。膨脹石墨(EG)、石墨烯(GR)和碳納米管(CNTs)等碳材料具有密度低、官能團豐富、電學性質(zhì)可調(diào)等優(yōu)點，具有良好的吸收前景。如何平衡具有高EMW吸收性能的碳材料的阻抗匹配特性是該領(lǐng)域研究的重點。

當前，設(shè)計構(gòu)建非均相界面或缺陷是制備高性能碳基吸波材料的主要途徑。非均質(zhì)界面的設(shè)計使材料具有合適的復介電常數(shù)，有利于改善阻抗匹配。非均相界面的構(gòu)建導致附近電子和晶體結(jié)構(gòu)的不對稱，這些缺陷導致晶格畸變、電荷不匹配和能帶遷移，也有利于EMW的衰減。所有這些措施都有望提高材料的吸收性能。

成果簡介

碳基電磁波吸收材料是一種新型的吸波材料，它的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、界面和缺陷工程等特點為先進碳基電磁波吸波器的設(shè)計注入了無限的活力。然而，從微觀和宏觀的角度來理解界面和偶極子效應(yīng)，而不是半經(jīng)驗規(guī)律，可以促進異質(zhì)界面和缺陷的設(shè)計，以調(diào)節(jié)材料的阻抗匹配和電磁波吸收，這是目前所缺乏的。 近日，昆明理工大學彭金輝院士、許磊教授課題組報道了具有多異質(zhì)界面和陽離子缺陷的CuCo2S4@膨脹石墨異質(zhì)結(jié)構(gòu)，組分的形貌、界面和缺陷可通過改變金屬離子濃度來調(diào)節(jié)。

結(jié)果表明，三維花蜂窩形態(tài)、晶晶/非晶異質(zhì)界面和豐富的陽離子缺陷可以有效調(diào)節(jié)碳材料的導電和極化損耗，實現(xiàn)碳材料的阻抗匹配平衡，提高對電磁波的吸收。CEG-6樣品在1.4 mm處實現(xiàn)了對Ku波段的有效吸收，RLmin為-72.28 dB，有效吸收帶寬為4.14 GHz，而填充量僅為7.0 wt. %。

本文報道了晶體-晶體/非晶異質(zhì)界面、陽離子缺陷和碳材料阻抗匹配之間電位關(guān)系的建立。這項工作以“Synthesis of CuCo2S4@Expanded Graphite with crystal/amorphous heterointerface and defects for electromagnetic wave absorption”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。祝賀！

彭金輝，中國工程院院士，昆明理工大學教授、博士生導師，中國有色金屬學會特種冶金專業(yè)委員會主任、微波能工程應(yīng)用及裝備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室主任。曾任云南民族大學校長、黨委副書記，昆明理工大學校長、黨委副書記。

圖文導讀

圖1. CuCo2S4@EG異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備及微觀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2. CuCo2S4@EG異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形態(tài)和組成表征

在此，作者提出了一種通過晶體/非晶異質(zhì)界面和陽離子缺陷調(diào)節(jié)碳基吸收材料阻抗匹配的策略。采用微波溶劑熱法在三維碳基體(EG)上原位生長CuCo2S4，成功制備了三維花蜂窩CuCo2S4@EG異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過銅和鈷原子的比例調(diào)節(jié)了CuCo2S4的花形狀。這種獨特的三維非均質(zhì)結(jié)構(gòu)可提供豐富的異質(zhì)界面和缺陷，可有效調(diào)節(jié)碳基材料的阻抗匹配，實現(xiàn)EMW的多重衰減。

本研究闡明了CuCo2S4@EG EMW吸波材料的內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，為開發(fā)和設(shè)計高性能三維碳基吸波材料提供了一種簡單有效的策略。 CuCo2S4@EG復合材料的制備過程示意圖如圖1所示。在研究中，利用EG構(gòu)建了三維蜂窩狀碳基導電網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)。作者測量了微波處理前后EG的結(jié)構(gòu)和物理特性。與一般的Hummer方法相比，微波制備的EG具有更好的導電性和優(yōu)異的導熱性。同時，EG獨特的蜂窩結(jié)構(gòu)有助于形成完善的導電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)EMW的多次反射。此外，采用微波溶劑熱法在三維蜂窩EG上快速原位生長CuCo2S4納米花陣列，形成花蜂窩CuCo2S4@EG異質(zhì)結(jié)構(gòu)。預計這種獨特的花蜂窩異質(zhì)結(jié)構(gòu)有利于增強EMW的多次反射和界面極化損耗。

圖3. CuCo2S4@EG的電磁參數(shù)

圖4. CuCo2S4@EG的電磁波吸收性能

圖5. 吸波機理分析

基于傳輸線理論對CuCo2S4@EG樣品的電磁吸收性能進行了評價。最優(yōu)吸收器應(yīng)能夠衰減入射EMW的90%以上，其反射損耗(RL)值小于-10 dB，其對應(yīng)的頻率范圍作為有效吸收帶寬(EAB)。CEG-6樣品在超低填充量(7.0 wt.%)下表現(xiàn)出最強的EMW吸收能力。CGE-6在Ku波段的RLmin和EAB值分別達到-72.28 dB和4.14 GHz，而厚度僅為1.4 mm。而CEG-4樣品厚度為1.4 mm時，復合材料在Ku波段的RLmin和EAB值分別為-19.29 dB和3.12 GHz。

此外，EG具有超低的EMW吸收特性，其最小反射損耗(RL min)僅為-7.07 dB。 作者研究發(fā)現(xiàn)復合材料的阻抗匹配和EMW吸收能力可以通過改變形貌和構(gòu)建晶體-晶體/非晶異質(zhì)界面和陽離子空位來調(diào)節(jié)。如圖5d所示，三維花蜂窩形態(tài)可以有效提高EWM的散射面積，降低吸收器密度。同時，這種3D形態(tài)也可以作為一個相互連接的導電網(wǎng)絡(luò)，為電子遷移提供途徑，并誘導導電損耗的產(chǎn)生。此外，EG與CuCo2S4之間的異質(zhì)界面導致界面電荷分布不均勻，從而促進了界面極化。在EG和CuCo2S4組分中存在的空位和晶格缺陷會導致偶極子的產(chǎn)生，并促進偶極子極化。因此，引入CuCo2S4構(gòu)建異質(zhì)界面和調(diào)節(jié)金屬陽離子缺陷是實現(xiàn)阻抗匹配的有效方法。

總結(jié)展望

綜上所述，通過微波加熱制備了一種獨特的三維花蜂窩CuCo2S4@EG復合材料，該復合材料具有豐富的晶-晶/晶-非晶界面和陽離子缺陷。通過調(diào)節(jié)金屬離子濃度，可以控制CuCo2S4的組分形態(tài)、界面和缺陷。這種獨特的三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)和豐富的陽離子缺陷有利于促進界面極化和偶極極化，實現(xiàn)傳導損耗和極化損耗平衡，有效調(diào)節(jié)碳基材料的阻抗匹配。因此，通過實現(xiàn)EMW的多重衰減和損耗，獲得了較高的EMW吸收性能。特別是，CEG-6的EMW吸收性能令人滿意，在填充率僅為7.0 wt. %，厚度為1.4 mm時，復合材料的RLmin為-72.28 dB, EAB為4.14 GHz。 該研究對通過晶-晶/晶-非晶異質(zhì)界面和陽離子缺陷調(diào)節(jié)碳基吸收材料的阻抗匹配具有重要意義。這項工作不僅為開發(fā)和設(shè)計高性能三維碳基吸波材料提供了一種簡單有效的策略，而且為平衡其他EMW吸波材料的阻抗匹配提供了新的視角。

文獻信息

Synthesis of CuCo2S4@Expanded Graphite with crystal/amorphous heterointerface and defects for electromagnetic wave absorption. (Nat. Commun. 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-41697-6) https://doi.org/10.1038/s41467-023-41697-6