科学网—深圳北理莫斯科大学程俊业&大连工业大学翟尚儒等：利用熵工程促进等效偶极极化用于超薄电磁波吸收
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2024-10-31 15:48
| 系统分类: 论文交流
研究背景
人工智能时代的到来标志着无线通信技术进入了快速发展时期。无论是对电磁信号的智能化利用还是防治日益严重的电磁污染问题，都离不开电磁波吸收材料的设计与开发。在高熵合金(HEAs)内部且受电负性差异诱导的电子迁移效应赋予了其在电磁波吸收领域的开发潜力。新兴的碳热冲击工艺可以在超便捷的条件下制备碳载体/HEAs纳米颗粒复合材料，并通过介电基因的调控作用实现对电磁响应模式的精准调控。然而，碳载体的选择及应用还受限于该工艺对其高导电性的需求。因此，将碳载体的来源扩展至生物质衍生碳对于实现绿色能源的高值化利用具有重要意义。此外，对HEAs的可调介电特性的研究也是强化电磁衰减效能的必要策略。综上所述，通过以生物质衍生碳为载体的碳热冲击工艺来制备碳载体/HEAs电磁波吸收体系可以为开发具有高设计自由度和优异特性的电磁响应器件开辟新的途径。
Spontaneous Orientation Polarization of Anisotropic Equivalent Dipoles Harnessed by Entropy Engineering for Ultra‑Thin Electromagnetic Wave Absorber
Honghan Wang¹, Xinyu Xiao¹, Shangru Zhai *, Chuang Xue *, Guangping Zheng, Deqing Zhang, Renchao Che *, Junye Cheng *
Nano-Micro Letters (2025)17: 19
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01507-
1. 提出了HEAs内各向异性等效偶极子 自发 取向极化 的强化机制 ，以提高HEAs的介电损耗特性。
2. 通过改进的 碳热冲击工艺 ，将碳载体的制备来源扩展至生物质类别。生物质衍生碳载体可以与HEAs共同构建类壳核异质界面。
3. 目标样品CCP/HEAs-Mn 2.15 在1.03 mm的超薄匹配厚度下实现了 -51.35 dB 的高效电磁波吸收。
4. 这项工作结合了 理论计算 和 电磁仿真模拟技术 ，为超宽带带通滤波器等电磁功能器件的设计和应用提出了可行性策略。
内容简介
利用碳热冲击工艺来合成碳载体/纳米级HEAs电磁响应复合材料已被认定为实现导电/介电基因协同竞争工程的先进策略。受HEAs的组成元素的电负性、价电子构型和摩尔比例调控的电子迁移模式决定了其内部等效偶极子的稳态和效率。 深圳北理莫斯科大学程俊业&大连工业大学翟尚儒等合作 以碳化纤维素纸(CCP)作为碳载体，通过改进的碳热冲击工艺最大程度地保留了CCP上的含氧官能团(O·)。HEAs 的成核机制和标志性的CCP/HEAs壳核异质界面的构建与O·诱导的 碳代谢 过程密不可分。同时，具有可切换的富电子位点的电子迁移模式促进了各向异性等效偶极子的取向极化。结果表明，由摩尔比例为35%的Mn元素参与制备的CCP/HEAs-Mn2.15复合材料可在 1.03 mm的超薄匹配厚度下实现-51.35 dB的高效电磁波吸收。通过将理论计算、实验表征和电磁仿真模拟技术相结合，阐明了基于 CCP/HEAs电磁波吸收体系的电磁衰减机制，为电磁功能器件(如超宽带带通滤波器)的实际应用提供了理论基础和可行性策略。
图文导读
I CCP/HEAs电磁波吸收体系的构建及微观形貌结构表征
在改进的碳热冲击工艺中，通过高导电样品装载容器的配备实现了CCP的高效利用。通过调控碳热冲击持续时间以及HEAs的元素组成和摩尔比例成功合成了4个目标材料CCP/MMSs复合材料、CCP/HEAs-Zn复合材料、CCP/HEAs-Mn复合材料、CCP/HEAs-Mn2.15复合材料。在合适的碳热冲击持续时间下，随着Mn元素的介入及其摩尔比例的提高，HEAs的粒径尺寸逐渐增大并在CCP上均匀分布。该结果证实了HEAs的成核机制与HEAs的组成元素的催化活性可能具有紧密的联系。
图1. CCP/MMSs复合材料、CCP/HEAs-Zn复合材料、CCP/HEAs-Mn复合材料和 CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料的制备工艺以及相应的SEM图像和粒度分布统计数据。
随着HEAs组成元素的更替，CCP/HEAs-Zn复合材料和CCP/HEAs-Mn复合材料均无明显的相分离和相偏析现象。XRD图谱和HRTEM图像显示，当碳热冲击持续时间为100 ms时，HEAs-Zn纳米颗粒和HEAs-Mn纳米颗粒均具有FCC相晶体结构。同时，HEAs的组成元素的原子尺寸变化也会导致衍射晶面的偏移。在四个目标样品中，CCP表现出不同的石墨化程度。结果表明，CCP的缺陷浓度可能会影响HEAs的成核过程。由此可见，HEAs的成核过程与携带含氧官能团的CCP的“代谢作用”有关，且受到HEAs的组成元素的催化活性的影响。此外，Cu 2p的结合能会随着HEAs的组成元素的更替及摩尔比例的调整而发生移动，揭示了HEAs内部的电子迁移趋势的变化。
图2. a CCP/HEAs-Zn复合材料和b CCP/HEAs-Mn复合材料的HRTEM图像；c CCP/MMS复合材料、CCP/HEAs-Zn复合材料和CCP/HEAs-Mn复合材料的XRD图谱；d CCP/HEAs-Zn复合材料和e CCP/HEAs-Mn复合材料的EDS图像；CCP/MMSs复合材料、CCP/HEAs-Zn复合材料、CCP/HEAs-Mn复合材料和CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料的Raman光谱；g Cu 2p 在CCP/HEAs-Zn复合材料、CCP/HEAs-Mn复合材料和CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料中的结合能；h HEAs 纳米颗粒的成核机制。
I I HEAs中的等效偶极子形成机制及效能强化
通过XPS表征证实了HEAs内部具有可调的富电子位点，HEAs-Zn中以Cu和Zn元素作为双富电子位点，而HEAs-Mn中以Cu元素作为单富电子位点。在HEAs-Zn和HEAs-Mn中每个组成元素的d带中心也表现出差异化。与Zn元素相比，Cu元素具有更好的固电子能力。当向体系内引入与Cu元素的电负性差异较大的Mn元素时，HEAs-Mn中存在更大的偶极极化效能。此外，HEAs-Zn与HEAs-Mn具有不同的功函数，其与CCP之间存在着不同的界面极化效应。
图3. a CCP/HEAs-Zn复合材料和b CCP/HEAs-Mn复合材料的XPS能谱；c CCP/HEAs-Zn复合材料和d CCP/HEAs-Mn复合材料中Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn元素的PDOS图；e CCP/HEAs-Zn、CCP/HEAs-Mn和CCP的功函数；f CCP/HEAs-Zn复合材料和g CCP/HEAs-Mn复合材料中异质界面处的差分电荷密度图；h HEAs内的等效偶极子示意图。
I I I CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料的基础表征及电磁波吸收特性
将HEAs-Mn中的Mn元素的摩尔比例增大至35%时，HEAs-Mn 2.15 仍具有FCC相晶体结构且组成元素均匀分布。值得注意的是，CCP与HEAs-Mn 2.15 之间构建了类壳核异质界面。随着Mn元素的摩尔比例的增大，HEAs-Mn 2.15 的偶极极化效能被大幅度强化。在多种衰减因素的协同作用下，CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料在1.03 mm的超薄匹配厚度下实现了-51.35 dB的高效电磁波吸收，并进一步分析了介电基因和导电基因的贡献。
图4. CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料的a XRD 图谱，b EDS图像，c TEM 图像，d Fe、Co、Ni、Cu、Mn元素的d带中心，e 功函数和f 差分电荷密度图；CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料的g 电磁波吸收特性，h 阻抗匹配，i 衰减常数，j 介电基因和导电基因以及k 相对复介电常数。
I V CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料的电磁波吸收机制
首先，改进的碳热冲击工艺可以最大程度地保留CCP上的含氧官能团来作为极化位点和充当HEAs成核的活性中心。在该体系中制备的CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料具有类壳核异质结面。其次，HEAs-Mn 2.15 中的高效能等效偶极子的形成促进了其介电特性的提高。第三，具有高长径比的碳化纤维素纤维为电磁波吸收体系提供了导电损耗。CCP中构建的三维导电网络为入射电磁波提供了多重散射和反射空间。
图5. CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料的电磁波吸收机制。
V CCP/HEAs电磁波吸收体系的多功能特性
通过电磁仿真模拟技术对四个目标样品的雷达散射截面进行了模拟检测，其在不同的最佳匹配厚度下实现了对电磁信号的高效吸收，验证了不同电磁响应单元耦合作用的高效性。带通滤波器是一种用于存储、处理和传输电磁信号的电磁器件。以掺杂量为20%的CCP/MMSs复合材料(CCP/MMSs-20%)为衬底，通过铜传输线拓扑结构的设计构建了超宽带带通滤波器，并模拟了其在不同衬底厚度下的滤波性能。当衬底厚度为0.5 mm时，滤波器的超宽通带可达7.68 GHz，带外抑制水平可达-60.5 dB。通过对不同频率下电磁信号的动态传输过程中的表面电流分布模拟，证明了该滤波器在通带和阻带中均具有高工作效能。对该体系的多功能性的探索为超宽带带通滤波器在无线通信、电子对抗、音频和图像采集中的应用提供了有前景的可行性方案。
图6. a CCP/MMSs复合材料、CCP/HEAs-Zn复合材料、CCP/HEAs-Mn复合材料和 CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料的RCS图，b 从-180°到180°范围内的RSC值，c 极坐标系中的RCS值和d RCS减少值(与PEC相比)；超宽带带通滤波器中的e 通带和阻带中的表面电流分布以及f |S11|和|S21|曲线。
VI 总结
改进的碳热冲击工艺将生物质衍生碳载体用于高效电磁波吸收体系的构建，这有利于促进O·位点的碳代谢过程和偶极极化效应。具有标志性壳核异质界面的 CCP/HEAs-Mn 2.15 复合材料在超薄匹配厚度(1.03 mm)下表现出优异的电磁波吸收性能(- 51.35 dB)。通过理论计算证明，在HEAs内部形成具有单富电子位点的电子迁移模式是产生高效能等效偶极子的有效策略。这项工作为揭示HEAs的可调介电特性提供了相关的理论依据，其受到组成元素的电负性、价电子构型和摩尔比例等因素的调控。同时，以 CCP/MMSs-20%复合材料作为介电衬底的超宽带带通滤波器的设计为多功能电磁响应器件的开发拓展了新的视野。
作者简介
翟尚儒
本文通讯作者
大连工业大学轻工与化学工程学院 教授
▍ 主要研究 领域
生物质基环境功能材料。
▍ 个人简介
从事生物质基环境功能材料研究工作，承担和完成国家自然科学基金/课题(4项)、辽宁省科技创新领军人才项目、辽宁省高校创新人才计划、辽宁省高校杰出人才成长计划等10余项课题；发表论文200余篇，引用达8000余次, H指数48，连续多年入选＂全球前2％学者榜单＂。《Resources Chemicals and Materials》编委和《Advanced Powder Materials 》特邀编委；以主要完成人获得中国轻工业联合会技术发明二等奖、辽宁省自然科学二等奖和辽宁省教学成果奖(研究生类)二等奖各1项；“兴辽英才计划”科技创新领军人才；大连市高端人才；辽宁省化工学会《生物质能源与材料》专委会秘书长、辽宁省化工学会《化工新材料》专委会副主任委员。
▍ Email： zhaisrchem@163.com
程俊业
本文通讯作者
深圳北理莫斯科大学 副教授
▍ 主要研究 领域
新型纳米材料结构设计在电磁波吸收与电化学储能领域应用研究。
▍ 个人简介
纳米功能材料与器件团队负责人，入选“广东省珠江人才海外青年人才”“深圳市高层次人才”“龙岗区领军人才”项目，香港城市大学物理与材料系博士毕业，主要从事新型纳米材料结构设计在电磁波吸收与电化学储能领域应用研究。目前已在Adv. Mater., Electrochem. Energy Reviews, Adv. Funct. Mater., Adv. Energy. Mater., Ecomat 等期刊发表学术论文90余篇，h-index：48，其中15篇论文被列入ESI高被引用论文，入选全球2%顶尖科学家榜单，获得国家发明专利多项，作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目，广东省教育厅重点领域专项、广东省科创委基础研究与应用研究项目等；担任国家基金委、广东省科创委项目评审专家，环境科学领域高质量科技期刊分级目录评审专家；曾荣获2023年度Nano-Mirco Letters期刊ESI TOP Article AWARD；担任Nano-Micro Letters、 EcoEnergy 、Nano Research Energy等期刊青年编委，Frontiers in Materials和Nanomaterials期刊专刊编辑，美国化学会(ACS)特邀会员，美国材料学会(MRS)会员，中国化学会会员，香港表面处理学会会员。
▍ Email： chengjunye@smbu.edu.cn
撰稿 ：原文作者
编辑： 《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在 Springer Nature 开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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