青岛大学吴广磊教授团队 AFM：杂原子优化的异质界面中的协同极化弛豫用于电磁波吸收

随着先进电子技术和无线通信技术的飞速发展，电磁辐射污染问题日益突出。因此，有效的缓解战略是必不可少的。在电磁损耗优化方面，异质界面的构建是基于界面极化损耗优化电磁损耗的有效途径，也称为异质界面工程。但基于相位型调整的传统方法存在一定的局限性，很大程度上制约了极化效应的进一步增强。对此，如何有效增强协同极化弛豫效应成为该领域需要解决的关键问题。杂原子掺杂具有增强极化效应、调节电子结构、提高稳定性等优点，为增强异质界面协同极化具有巨大潜力。

2025年2月24日，青岛大学材料科学与工程学院吴广磊教授团队在Advanced Functional Materials期刊上发表了题为“ Synergistic Polarization Relaxation in Heteroatom-Optimized Heterointerfaces for Electromagnetic Wave Absorption ”文章。论文第一作者为青岛大学材料科学与工程学院23级硕士研究生徐爽，青岛大学材料科学与工程学院吴广磊教授和青岛大学化学化工学院贾梓睿副教授为论文共同通讯作者。

杂原子掺杂与非均质界面调控已被证实是提升电磁波吸收性能的有效策略，如何精准设计原子级掺杂结构并揭示多界面协同机制仍是该领域的难点。团队设计并构建一种杂原子优化协同极化策略，通过气氛诱导热解法（NH₃、H₂/Ar、Ar）对Fe基MOF前驱体进行精准调控，成功制备了杂原子掺杂的碳纳米纤维复合材料。研究揭示了杂原子在电子结构调谐中的协同作用。得益于独特的杂原子梯度分布与多尺度异质结构设计，Fe₂N@Ni₃Fe/CNF复合材料展现出卓越的吸波性能：在2.3 mm匹配厚度下实现-56.75 dB的最小反射损耗，有效吸收带宽覆盖6.7 GHz，同时其三维纤维网络结构赋予材料优异的耐腐蚀特性。这项工作通过建立杂原子-界面构效关系模型，为新型电磁衰减材料的原子尺度工程化设计提供了理论依据。

图1. a)本工作中样品制备示意图；b) NFC, Fe-MOF-NFC, N-NFC, O-NFC and Fe-NFC的SEM图像。

从图1中的SEM图像可以看出，其中，不同气氛下的碳化处理带来了粒度和形貌的显著变化。在氨气氛中，N-NFC 颗粒表现出最佳的电磁特性，这可能是由于氮杂原子诱导的独特结构的形成。氮原子在改变颗粒形态和结构方面起着至关重要的作用，在氩气气氛中，粒径的减小主要是由于有机配体的热分解和金属氧化物的还原。同时，杂原子的存在可能会对材料在热分解过程中的稳定性和极化特性产生影响。在氢-氩混合气氛中，粒径较大。这是因为氢气会促进金属颗粒的还原和生长，从而产生更大的颗粒。在此过程中，杂原子可能与氢相互作用并影响金属颗粒的生长和结构，从而间接影响极化效应。

图2. a1、a2) Ni-Fe PBA 的 SEM 图像 ；a3) NFC 的 TEM 图像；b1-b3) N-NFC、O-NFC 和 Fe-NFC的TEM 图像，c1-c3) N-NFC、O-NFC 和 Fe-NFC的HR-TEM 图像；d1-d4) N-NFC的EDS 图像；e) XRD 图谱；f) FT-IR 光谱；g)拉曼光谱；h) N-NFC、O-NFC 和 Fe-NFC 的 Fe 2p 光谱；i-l) N-NFC 的C 1s 光谱，O 1s 光谱，N 2p 光谱和 Ni2p 光谱。

通过TEM观测N-NFC、O-NFC、Fe-NFC微观形貌（图2b1-b3），，证实杂原子调控显著改变材料微结构。高分辨TEM（图2c1-c3）显示三者的特征晶面间距分别为3.47 Å（Fe₂N(110)）、4.67 Å（Fe₂O₃(111)）、2.02 Å（Fe(110)），结合观测到的空位、位错等缺陷，揭示杂原子通过晶格畸变和缺陷工程调控极化弛豫机制。XRD证实不同退火气氛诱导材料结构重构FT-IR谱（图2f）显示3434 cm⁻¹处氢键振动、1634 cm⁻¹处C=N/C=C键特征峰，以及1063 cm⁻¹处C-O振动，证实杂原子通过构建-NH、-CN、-CO等官能团增强界面极化。氮掺杂促进C-N键形成，氧掺杂增加金属-氧配位，二者协同调控偶极子取向与电荷分布。拉曼光谱（图2g）显示N-NFC的ID/IG值最低（0.89），表明氮掺杂提升碳纤维石墨化有序度，优化导电损耗路径。XPS（图2h-l）揭示：C 1s中C-C（284.6 eV）、C-O（285.7 eV）、C=O（288.4 eV）共存；N 1s包含石墨氮（400.9 eV）、吡啶氮（398.3 eV）及Fe-N键（396.9 eV）；Fe 2p证实Fe³⁺/Fe²⁺多价态及Fe-N配位。杂原子通过电子结构重构和界面电荷重排增强极化损耗。

图3. a)介电常数的实部和b)介电常数的虚部。c)与介质损耗角相切。d) Fe2N、Fe2O3和Fe的电荷密度差图。e) DOS。f)电化学阻抗谱（EIS）曲线。g)开路电位（OCP）曲线。h)所有样本的Rct值。i) OCP平均值。

N-NFC样品在2-18 GHz频段内表现出最优介电性能：复介电常数实部均高于对照组（图3a-b），其高导电性源于氮掺杂诱导的致密电子传导路径。损耗角正切（tanδε≈0.45）曲线呈现多弛豫峰（图3c），证实界面极化（Fe₂N/CNFs异质界面）与偶极极化（C-N缺陷）的协同作用。科尔-科尔图显示N-NFC具有最多半圆，揭示其多重极化弛豫特性。电化学阻抗谱（图3g）显示N-NFC电荷转移电阻最低（Rct=12 Ω·cm²），氮掺杂通过Fe-N键调控能带结构，促进电荷离域。在模拟海水环境中，N-NFC开路电位最高，阻抗模量|Z|0.01Hz达2×10⁴ Ω·cm²（图3i），其优异耐腐蚀性源于碳纤维包覆层对金属活性位的物理屏蔽效应。DFT计算（图3d）揭示杂原子调控机制，证实杂原子通过键合环境重构优化极化损耗路径。

图4. a、e) NFC的3D RLmin和2D RLmin， b、f) N-NFC的3D RLmin和2D RLmin， c、g) O-NFC的3D RLmin和2D RLmin， d、h) Fe-NFC的3D RLmin和2D RLmin。i)三维RLmin和j)厚度为1.6-2.6 mm的二维RLmin图。k1) 2D RLmin和k2) 1.6-2.6 mm厚度的2D EAB图。k3) NFC、N-NFC、O-NFC、Fe-NFC阻抗匹配l1,2)前人与本作品的RLmin和EAB比较。m) N-NFC的λ/4匹配厚度与RL峰与| Zin /Z0|图的关系。

图4显示不同样品的反射损耗（RL）与有效吸收带宽（EAB）随厚度和频率的演变趋势。原始CNF的RLmin仅为-24.9 dB，而N-NFC在2.3 mm厚度下达到-56.75 dB的RLmin，阻抗匹配率11.02%，显著优于其他样品。其优异性能源于镍铁普鲁士蓝类似物（Ni-Fe PBA HNCs）的精准引入及Fe-MOF表面修饰。异质原子通过重构金属离子电子云分布，优化电子传导路径.复合材料内部界面极化效应与Ni-Fe PBA/Fe-MOF协同作用，显著增强电磁波多重反射与散射。纳米纤维间接触面积扩大，形成稳定导电网络，同时促进电磁能快速耗散。三维柱状图显示N-NFC的EAB达6.7 GHz。基于λ/4匹配模型的tm-fm曲线（图4m）显示实验数据与理论预测高度吻合，阻抗匹配分析表明N-NFC的阻抗优于对比组样品，验证其界面极化与介电损耗的协同增强机制。

图5.a)具有N-NFC的PEC衬底的三维RCS图像。b) RCS模拟N-NFC的极性曲线。c)角度为- 90°至+ 90°的1D RCS图。d)通过用PEC减去复合材料实现RCS降低。e) FexMy@Ni3Fe/CNFs的微波吸收机理示意图。

通过雷达散射截面（RCS）模拟评估材料电磁波衰减能力（图5a-d）。纯导体（PEC）模型显示强散射信号，而覆盖N-NFC吸波层的模型在-90°-90°范围内RCS值低于-10 dB（0°时减少21.3 dB），表明其具备最优衰减性能。三维模拟显示N-NFC散射信号强度最低，验证其强电磁能耗散能力。异质原子掺杂诱导晶格畸变，形成电偶极矩增强极化损耗；Fe空位促进电子捕获，提升传导损耗（图5g）。Ni₃Fe与碳纤维构建三维导电网络，界面电场加速电子迁移。磁各向异性调控激活涡流损耗，结合多孔结构的多重散射，实现介电-磁损耗协同。这些机制共同拓宽吸收频带，赋予材料卓越吸波性能。

综上，本研究从结构设计与组分调控入手，设计并合成了一系列具有杂原子调控的FexMy@Ni3Fe/CNFs。结果表明，氮和氧等杂原子在增强材料的极化效应中起着关键作用。这些杂原子引入了额外的缺陷位点并诱导了局部结构畸变，从而产生了额外的极化中心，显著改善了极化损耗和EMW吸收性能。杂原子诱导的协同极化效应，包括偶极子极化、界面极化和缺陷诱导极化，共同增强了材料的整体吸收能力。该研究为通过策略性杂原子调控优化协同极化弛豫机制来开发高性能EMW吸收材料提供了有价值的见解。

作者简介

吴广磊，青岛大学材料科学与工程学院教授，山东省泰山学者青年专家，山东省优青，山东省高等学校青创人才引育计划团队“结构-功能高分子复合材料研究创新团队”负责人，青岛大学第二层次特聘教授，博士生导师。作为项目负责人，已主持包含国家自然科学基金面上项目/青年项目、泰山学者青年专家项目、山东省省优秀基金项目等科研项目多项；至今以第一（共一）或通讯作者在Nat. Commun, Adv Funct Mater, Nano-Micro Lett., Chem. Eng. J., Small, Carbon, J. Mater. Sci. Technol.等发表高水平科研论文200余篇，其中影响因子大于10的SCI论文150余篇，高被引ESI论文30余篇，杂志封面论文2篇，SCI他引共计27000余次，H指数102，i10指数281；授权国家发明专利5项；分别以第2位次和第4位次获省部级自然科学奖一等奖2项；连续入选2022年和2023年爱思唯尔“中国高被引学者”；连续多年入选全球前2%顶尖科学家榜单及全球顶尖前10万科学家榜单；担任Int. J. Miner. Metall. Mater.杂志编委及学科编辑、SusMat首届青年编委、J Mater Sci Technol 青年编委、Nano Research青年编委和Nano-Micro Letters青年编委。作为国家自然科学基金（面上、重点等）以及国家级高层次（青拔和青长等）人才评审专家。

贾梓睿，青岛大学化学化工学院副教授，青岛大学第四层次特聘教授，硕士生导师。主要从事新型电磁屏蔽复合材料、高导热绝缘及电磁相关材料的设计及开发，着重于微观结构、异质界面以及多组分的协同作用对电磁材料行为的影响规律。本科和硕士毕业于西安交通大学，指导教师成永红教授。2014-2017年在国家电网从事相关科研工作。于2017年9月进入西北工业大学化学与化工学院攻读博士学位，指导教师寇开昌教授。2021年5月加入青岛大学化学化工学院。以第一作者或通讯作者身份在Nano-Micro Lett.，Nano Res.，J. Mater. Sci. Technol.，Adv. Funct. Mater.，Compos. Part. B，Carbon等发表高水平科研论文80余篇，他引次数10000余次，授权国家发明专利2项；主持国家自然科学基金青年基金项目1项、山东省自然科学基金青年项目1项、中国博士后基金项目1项、产学研横向项目1项和青岛大学特聘教授启动人才项目。并担任国际期刊Adv Funct Mater、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry C、Composites Science & Technology、J Mater Sci Technol、Composites Part B、Chem Eng J等期刊特约审稿人等学术职务。

https://doi.org/10.1002/adfm.202500304

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