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引言

基于5G技術(shù)的電子設(shè)備為生活帶來極大便利，現(xiàn)有高性能微波吸收材料多集中于10-18GHz高頻段，但其低頻段（2-10GHz，尤其C波段4-8GHz）電磁輻射干擾問題日益凸顯，如何拓展低頻吸收帶寬成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。研究揭示磁性材料在低頻微波領(lǐng)域受Snoke極限制約，常通過幾何調(diào)控設(shè)計(jì)非對稱磁各向異性結(jié)構(gòu)及納米磁異質(zhì)界面突破該限制，顯著提升磁導(dǎo)率。碳納米線圈（CNCs）憑借其三維螺旋手性模板特性，既可通過適度導(dǎo)電性優(yōu)化阻抗匹配，又能誘導(dǎo)磁組分非對稱分布，為構(gòu)建輕量化寬頻5G電磁防護(hù)材料提供創(chuàng)新思路，因此被認(rèn)為是構(gòu)建手性磁性吸收體的優(yōu)良材料。

構(gòu)建基于碳納米線圈（CNC）的手性-介電-磁三位一體復(fù)合材料被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)優(yōu)異低頻微波吸收的一種有前途的方法。然而，進(jìn)一步增強(qiáng)低頻微波吸收和闡明相關(guān)損耗機(jī)制仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。近日，大連理工大學(xué)物理學(xué)院潘路軍教授團(tuán)隊(duì)在《Nano-Micro Letters》期刊發(fā)表題為《Multifunctional Carbon Foam with Nanoscale Chiral Magnetic Heterostructures for Broadband Microwave Absorption in Low Frequency》的研究論文。

本文首先在三維碳泡沫上合成了手性CNC，然后與FeNi/NiFe2O4納米顆粒結(jié)合形成一種新型手性-介電-磁性三位一體泡沫。三維多孔碳泡沫網(wǎng)絡(luò)具有良好的阻抗匹配和強(qiáng)傳導(dǎo)損耗。金屬/碳界面的形成引起了界面極化損失，密度泛函理論計(jì)算證實(shí)了這一點(diǎn)。進(jìn)一步的磁導(dǎo)率分析表明，納米級手性磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有磁釘釘和磁耦合效應(yīng)，增強(qiáng)了磁各向異性和磁損耗能力。由于介質(zhì)性、手性和磁性的協(xié)同作用，三位一體復(fù)合泡沫具有優(yōu)異的微波吸收性能實(shí)現(xiàn)了全C波段覆蓋。該研究為實(shí)現(xiàn)寬帶微波吸收的手性-介電-磁三位一體復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了進(jìn)一步的指導(dǎo)。

成果展示

圖一：CCF和FCCF復(fù)合材料的合成過程示意圖。

圖二：CF、CCF和FCCF復(fù)合材料的SEM圖像。

圖三：FCCF復(fù)合材料的TEM圖像、拉曼光譜和XRD譜圖。

圖. S2  (a)）XRD 圖、（b, c）拉曼光譜及（d）磁滯回線

FCCF復(fù)合材料的TEM圖像如圖3a-d所示，F(xiàn)CCF復(fù)合材料的拉曼光譜如圖3e，圖2S（b，c）所示， CF和CCF樣品在0-1000 cm-1區(qū)域沒有拉曼峰。對于FCCF和FCF復(fù)合材料，FeNi基粒子的引入導(dǎo)致在480 cm-1、570 cm-1和683cm^-1處出現(xiàn)三個(gè)主峰，對應(yīng)于NiFe2O4的T2g（1）、T2g（2）和A1g振動模式。拉曼光譜結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了FeNi基顆粒中存在NiFe₂O₄，這與TEM圖像一致。FCCF-1和FCCF-3樣品的XRD圖和拉曼光譜與FCCF-2樣品的XRD圖和拉曼光譜高度一致，表明FCCF-1及FCCF-3中也合成了FeNi/ NiFe₂O₄磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)，成功建立了具有手性磁性單元的3D互連網(wǎng)絡(luò)。

圖四：CCF和FCCF復(fù)合材料的微波吸收性能及多功能特性。

圖五：CCF和FCCF復(fù)合材料的介電常數(shù)及拉曼光譜。

CCF和FCCF復(fù)合材料的拉曼光譜均在1340.1 cm-1和1580.8 cm-1處出現(xiàn)D帶和G帶兩個(gè)特征峰，表明材料具有石墨結(jié)構(gòu)。一般來說，D波段與G波段的強(qiáng)度之比（I_D/I_G）代表了石墨結(jié)構(gòu)的石墨化程度。與CF和FCF樣品相比，CCF和FCCF樣品的I_D/I_G值更低，證實(shí)了CNC的引入促進(jìn)了石墨化程度，提高了電子傳遞能力。CF樣品的I_D/I_G值較高，說明石墨化程度較差。因此，CF樣品的電子輸運(yùn)能力非常弱。

圖六：CCF和FCCF復(fù)合材料的磁導(dǎo)率分析及微磁學(xué)模擬圖。

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大連理工大學(xué)潘路軍課題組簡介

潘路軍，大連理工大學(xué)物理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。1988年于西安交通大學(xué)電氣工程系電氣絕緣技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)；1994年赴日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部電子物理專業(yè)留學(xué)。2000年獲博士學(xué)位并留校擔(dān)任助理教授，其間兼任日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JST）及日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）研究員；2007年底回國工作，受聘大連理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。歷任物理與光電工程學(xué)院光電工程系主任、物理與光電實(shí)驗(yàn)中心主任、光學(xué)學(xué)科點(diǎn)負(fù)責(zé)人。近5年在《Advanced Functional Materials》、《Nano Energy》、《Nano-Micro Letters》、《Energy Storage Materials 》、《Chemical Engineering Journal 》、《Small》、《Carbon》等國際著名納米期刊上發(fā)表論文80余篇；主編《基礎(chǔ)光學(xué)》，參編《ディスプレイ材料と機(jī)能性色素（顯示器材料和機(jī)能色素）》、《フィールドエミッションディスプレイ（場發(fā)射型顯示器）》、《Handbook of Nano Carbon （納米碳手冊）》。

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