近日，我校孔杰教授團隊在寬帶微波吸收器方向取得了新進展，成功發展了基于二維材料晶界復合設計高性能微波吸收器策略，在超寬頻和超魯棒性電磁波吸收場景具有重要應用潛力，研究成果以“2D/2D Coupled MOF/Fe Composite Metamaterials Enable Robust Ultra-Broadband Microwave Absorption”為題發表在Nature Communications（2024, 15, 5643）上。
隨著5G/5.5G技術發展和應用，電子設備的廣泛應用導致電磁輻射污染持續加劇，長期暴露在電磁輻射下對人體健康產生負面影響。吸波材料能有效吸收電磁能量并將其轉化為熱能，從而減少輻射的影響，現已被廣泛應用于航空航天、軍事設施以及電子通信等工程領域。然而，隨著吸收目標頻帶的拓寬，傳統吸波材料面臨一項嚴峻的技術瓶頸，即普朗克-羅扎諾夫極限的限制，這使得它們在處理復雜環境時效果急劇下降。特別是在實際工程使用中，設備外形輪廓的改變、電磁波的入射角度和極化方式均可發生大幅度變化，這導致吸波材料在面對大角度入射和極化變化時，吸收電磁波的能力大幅度降低，表現出的非魯棒性成為相關領域亟待解決的工程技術挑戰。
面向該實際工程需求，研究團隊挖掘影響吸波材料魯棒性背后的1到0問題，提出磁性材料與介電材料的晶界復合，是影響材料磁電耦合損耗及阻抗匹配效果的關鍵因素，而吸波材料與宏觀三維結構的協同匹配效果會進一步影響吸波器件的整體吸收效果，因此提出了一種通過MOF/Fe的2D/2D晶界復合超材料吸波器制備新策略，成功實現了高性能超寬頻的微波吸收效果。該吸波器同時具備出色的魯棒性（即材料在面對入射角度與極化變化的性能穩定性），為設備在復雜環境下的穩定運行提供保障。通過三明治狀半導體金屬有機框架（SC-MOF）與二維鐵材料（FCIP）的2D/2D晶界復合，實現了可靠的磁電耦合網絡，結合獨特的宏觀3D超材料設計，在厚度僅為9.3 mm的情況下實現了2-40 GHz的超寬帶吸收。該超材料同時對斜入射（4–75°）和極化（TE/TM）具有穩定的響應。此外，超材料吸波器同時兼具優異的比壓縮強度（201.01 MPa·cm3·g-1）和相對較低的密度（0.89 g·cm-3）。
研究首先通過溶劑熱反應成功地合成了SC-MOF（CuHT）的2D微片，并進一步在溶劑環境下，通過晶界化學鍵合，實現與二維磁性材料（FCIP）的復合，得到了一種具有豐富晶體/晶體異質結和強磁電耦合網絡的三明治狀SC-MOF/Fe材料（CuHT-FCIP）（圖1）。獨特的2D形貌匹配特性賦予了CuHT和FCIP在磁電性能方面的異常兼容性。DFT理論計算和實驗結果均完美證明了CuHT-FCIP內部大量層間電荷轉移途徑的產生，從而引發了基于磁電耦合機制的強烈電磁波損耗。
圖1 CuHT-FCIP典型三明治狀復合微觀結構的表征及理論計算表征。（a-e）CuHT、FCIP及其2D/2D復合體（CuHT-FCIP）的形貌表征；（f）CuHT-FCIP的洛倫茲電鏡表征；（g）CuHT-FCIP的AFM三維表征結果重建；（h-o）CuHT-FCIP復合體的DFT理論計算結果
基于CuHT-FCIP內部豐富的層間磁電耦合效應，進一步將CuHT-FCIP封裝在低介電的環氧樹脂（CuHT-FCIP-EP）中，不同組成的CuHT-FCIP-EP復合材料在2 GHz至18 GHz范圍內能夠對有效吸波帶寬進行有效調制（圖2）。頻率相關的介電/磁損耗因數圖中的同步峰值表示強磁電耦合損耗的出現，預示著在相應頻率下具有很強的電磁波吸收。經優化后的多組分復合材料能夠實現在不同頻率下的磁電耦合，以及顯著提升的阻抗匹配以合RCS縮減效果。
圖2 CuHT-FCIP-EP復合材料的電磁性能表征。不同組分比例下CuHT-FCIP-EP的反射損耗圖（a-c）、介電/磁損耗因子圖（d-f）、界面阻抗（g）以及RCS（h）；（i）CuHT-FCIP-EP的性能多維度對比
單層吸波劑由于因果關系的約束，仍難以滿足超寬頻電磁吸收的實際應用需求。尤其是當入射角變化較大時，基于色散特性的電磁波吸收材料會面臨吸收效率顯著下降。3D超材料則能夠協同材料與結構的雙重優勢，在直接衰減電磁波能量的基礎上通過結構共振和腔體結構的二次反射進一步衰減。因此，作者們進一步基于梯度阻抗原則，優化設計了一種超材料結構單元，協同上述不同組分材料阻抗匹配特征，實現了吸波器在整個2-40 GHz范圍內的超寬帶電磁波吸收效果（圖3）。
圖3 CuHT-FCIP-EP超材料吸波器的設計。（a）超材料結構示意；（b）超材料阻抗匹配貢獻曲線；（c）超材料表面電場、磁場和能量損耗分布；（d-g）超材料阻抗匹配Smith曲線
遠場電磁波反射測試表明，該超材料吸波器在整個2-40 GHz頻率范圍內實現了符合模擬預期的電磁波強吸收效果。此外，作者們還評估了不同偏振和斜入射角下電磁波吸收的魯棒性（圖4）。在TE模式下，吸波器在4°至60°范圍內的所有情況下均可實現38 GHz的EAB。即使在增加至75°入射角的情況下，它仍然保持超過34.2 GHz的EAB。此外，在TM模式下表現同樣出色。
圖4 CuHT-FCIP-EP超材料吸波器的實測性能驗證。（a）超材料模擬與實測反射曲線；（b）超材料實物圖；（c）超材料性能比較；（d-f）超材料在TE/TM及不同角度下的反射率圖；（h）超材料電磁吸收機理假設；（i）超材料的綜合密度
基于二維半導體MOF與二維鐵磁材料的強2D/2D磁電耦合損耗機制所制備的電磁超材料展現出超強的電磁吸收魯棒性。此項設計策略打破了傳統吸波材料所持續面臨的吸波帶寬、角度與極化的設計限制，同時簡單可放大的制備工藝和優異的綜合機械性能使其在未來大規模生產和開發方面具備獨特應用前景。
該項工作得到國家杰出青年科學基金、國家重點研發計劃等資助。西北工業大學化學與化工學院博士生屈寧和孫寒旭為第一作者，孔杰教授、邢瑞哲博士為通訊作者。
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https://www.nature.com/articles/s41467-024-49762-4
（來源：化學與化工學院；審核：孔杰）
