来源：eScience
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研究背景
以5G/6G为代表的电子信息技术特别是通信和检测技术的蓬勃发展，深刻地改变了人类的生活方式，但也不可避免地产生大量的电磁辐射，危害人体健康，造成电磁干扰。同时，在国防安全领域，世界各国的先进雷达探测和精确制导能力日益增强，对电磁波吸收材料的需求不断增长，以提升国防安全和信息安全。因此，迫切需要开发高效的电磁波吸收材料来应对复杂的电磁环境和即将到来的智能时代。根据材料设计和结构设计的原则，构建异质结构被认为是提高电磁波吸收材料衰减能力的有效策略。然而 ，由于材料组分和合成策略的限制，在界面处仍然存在弱的相互作用、分散不均匀、阻抗匹配差等问题，导致电磁波吸收性能不理想。同时，在更深层次上理解和强化这些界面效应还面临一些挑战。此外，具有大量活性表面的三维多级结构具有多个界面效应而被广泛关注，如纳米片、纳米花和纳米针阵列等形式的多级结构可以强化界面效应，增强界面极化和极化损耗，提高材料的电磁波衰减能力。基于此，一种多级异质界面工程的有效策略有望引入更强烈的界面极化，并妥善解决上述矛盾。
黄毅教授团队在新型宽频电磁隐身及电磁防护、多频谱兼容吸波材料设计及优化、微尺度结构与电磁性质调控方面开展了深入研究，包括新型二维铁磁导体材料FGT的高效电磁屏蔽/吸波/探测性质（Adv. Mater., 2024, 235709; Adv. Funct. Mater., 2023, 33 (15), 2210578），“强磁介电协同机损耗制构筑多频谱兼容超宽频隐身超材料”（Advanced Functional Materials, 2024, 2314046）；“可调吸波结构设计及性能调控”（ACS Nano, 2023, 17, 8420-8432；ACS Applied Material & Interface 2019, 11, 25369-2537）；新型电磁功能材料设计及性能调控（; ACS Nano, 2022, 16 (5), 7861-7879; Carbon 2022, 196, 913-922）等。
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研究工作简介
南开大学黄毅课题组提出了一种多级异质界面工程设计来增强极化损耗和提高电磁能量耗散特性的方法。基于3D打印策略构建了具有网格堆垛结构的石墨烯气凝胶作为导电骨架，通过溶剂热反应，在石墨烯表面分别原位生长了纳米针状和纳米片状结构的金属氧化物NiCoO2。研究发现，金属氧化物NiCoO2的生长产生了大量异质界面区域，提升了材料的极化损耗能力，并且能够有效降低电磁波在表面的反射，优化界面处的阻抗匹配。此外，形成的多级结构能够延长电磁波的传输路径，显著提高对电磁能量的耗散。随后的硒化处理产生大量异质界面区域，导致极化过程中电磁能量的耗散。此外，硒化引起的内部结构缺陷和氧空位也导致缺陷极化和偶极子极化。同时，电子导电性的增加促进了导电损耗。得益于大幅增强的极化损耗和优化的阻抗匹配特性，石墨烯/ NiCoO2/硒化物气凝胶具有出色的电磁波吸收性能，反射损耗值最强为-60.7 dB，有效吸收带宽最宽为8 GHz。此外，密度泛函理论计算和离轴电子全息图进一步证实了在异质界面处积累了大量的正负电荷，导致了明显的界面极化。这项工作阐明了多级异质界面的构建在平衡介质损耗和阻抗匹配方面的重要作用，通过增强界面极化和介质损耗，显著提高了对电磁波的能量耗散。
图1 多级异质界面3D打印G/NCO/Se示意图。
图2. (a)不同硒含量下S-NCO/Se的XRD谱图。(b) G/S-NCO/Se的SEM图像及对应的(c) EDS Mapping图像。(d-g) G/S-NCO/Se的TEM、HR-TEM图像。(h-k)不同Se含量G/S-NCO/Se的O 1s、Co 2p、Ni 2p和Se 3d的XPS图谱。
图3. G/S-NCO/Se的电磁波吸收性能。(a) G/S-NCO/Se的ε′和(b) ε″。G/S-NCO/Se的(c) tan δε和(d) α随频率的变化规律。(e) G/S-NCO/Se-1、(f) G/S-NCO/Se-2和(G) G/S-NCO/Se-4在不同厚度下的RL值与频率的关系。(h)不同硒含量的GA、G/S-NCO和G/S-NCO/Se系列的RLmin值和EAB。(i-k)不同Se含量下G/S-NCO/Se的阻抗匹配度。(l) G/S-NCO的极化和导电损耗。
图4. (a-c)石墨烯/NiCoO2、NiCoO2/CoSe2和NiCoO2/NiSe2的电荷密度差图。(d) G/S-NCO/Se的TEM图像。(e, f) G/S-NCO/Se的离轴电子全息图及相应的电荷密度图像。(g) f图中黑色点箭头方向的电荷密度分布图。(h-j) CST模拟G/S-NCO/Se在吸收峰处的电场分布、磁场分布和功率损耗分布。
图5. (a)异质界面处能带结构示意图。(b)多层非均质界面对电磁波吸收的影响示意图。
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工作的亮点、新颖性和意义
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论文信息
Multilevel Heterogeneous Interfaces Enhanced Polarization Loss of 3D Printed Graphene/NiCoO2/Selenides Aerogels for Boosting Electromagnetic Energy Dissipation
ACS Nano，2024，DOI: 10.1021/acsnano.4c00193，
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研究团队简介
黄毅，南开大学英才教授，材料学院副院长，碳纳米科技及高分子复合材料研究中心主任。在新型低维纳米材料的合成、光电磁性质调控、高性能吸波/屏蔽材料、智能高分子复合材料及器件等方面取得了创新成果，开拓了碳纳米材料在航空航天、电子信息及国防军工等领域的重要应用。先后承担二十余项国家级和省部级项目，包括国家自然科学基金、国家重点研发计划、973/863计划、国防重点项目等。曾获国家自然科学二等奖1项（2018），天津市自然科学一等奖2项（2015, 2010），其他省部级奖励3项。在Nature Photonics, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nature Communications, ACS Nano, Nano Letters等期刊发表学术论文160余篇，其中IF > 10的100余篇，有22篇文章入选ESI高被引论文，2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”，共被引用近3万次，H因子60。6次入选科睿唯安“全球高被引科学家”和爱思维尔“中国高被引学者”。编写专著1部，有2篇论文入选 “中国百篇最具影响国际学术论文”。
马文乐，南开大学材料科学与工程学院助理研究员。主要从事石墨烯、MXene基气凝胶及新型磁性材料的设计制备及电磁波吸收机理研究，在Advanced Functional Materials，ACS Nano，Carbon，ACS Applied Materials & Interfaces等国际期刊发表SCI论文10余篇，2023年提出一种墨水直写3D打印策略制备具有高强度气凝胶材料，实现精确可调的MXene高性能电磁波吸收器；2024年发展了强磁-介电协同梯度损耗超材料，实现兼容低频电磁波（1-110 GHz和0.1-2.0 THz）的优异超宽频电磁波吸收性能。
