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研究背景

先進電子設備和無線通信技術的飛速發(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域研究的重點。當前，設計構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。非均質界面的設計使材料具有合適的復介電常數(shù)，有利于改善阻抗匹配。非均相界面的構建導致附近電子和晶體結構的不對稱，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，它的結構、結構、界面和缺陷工程等特點為先進碳基電磁波吸波器的設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，而不是半經(jīng)驗規(guī)律，可以促進異質界面和缺陷的設計，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界面和陽離子缺陷的CuCo₂S₄@膨脹石墨異質結構，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)。結果表明，三維花蜂窩形態(tài)、晶晶/非晶異質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，RL_min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/非晶異質界面、陽離子缺陷和碳材料阻抗匹配之間電位關系的建立。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、微波能工程應用及裝備技術國家地方聯(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。

他，中國工程院院士，曾任昆明理工校長，再發(fā)Nature子刊！

圖文導讀

圖1. CuCo₂S₄@EG異質結構的制備及微觀結構示意圖

圖2. CuCo₂S₄@EG異質結構的形態(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異質結構，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結構可提供豐富的異質界面和缺陷，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、結構和功能之間的關系，為開發(fā)和設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構建了三維蜂窩狀碳基導電網(wǎng)絡主干網(wǎng)。作者測量了微波處理前后EG的結構和物理特性。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獨特的蜂窩結構有助于形成完善的導電網(wǎng)絡，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異質結構。預計這種獨特的花蜂窩異質結構有利于增強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RL_min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RL_min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建晶體-晶體/非晶異質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，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構建異質界面和調(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結構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RL_min為-72.28 dB, EAB為4.14 GHz。

該研究對通過晶-晶/晶-非晶異質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

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他，中國工程院院士，曾任昆明理工校長，再發(fā)Nature子刊！

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