《自然·通讯》发表西北工业大学孔杰团队微波吸收器研究新进展

近日，西北工业大学孔杰教授团队在宽带微波吸收器方向取得了新进展，成功发展了基于二维材料晶界复合设计高性能微波吸收器策略，在超宽频和超鲁棒性电磁波吸收场景具有重要应用潜力，研究成果以“2D/2D Coupled MOF/Fe Composite Metamaterials Enable Robust Ultra-Broadband Microwave Absorption”为题发表在Nature Communications（2024, 15, 5643）上。

随着5G/5.5G技术发展和应用，电子设备的广泛应用导致电磁辐射污染持续加剧，长期暴露在电磁辐射下对人体健康产生负面影响。吸波材料能有效吸收电磁能量并将其转化为热能，从而减少辐射的影响，现已被广泛应用于航空航天、军事设施以及电子通信等工程领域。然而，随着吸收目标频带的拓宽，传统吸波材料面临一项严峻的技术瓶颈，即普朗克-罗扎诺夫极限的限制，这使得它们在处理复杂环境时效果急剧下降。特别是在实际工程使用中，设备外形轮廓的改变、电磁波的入射角度和极化方式均可发生大幅度变化，这导致吸波材料在面对大角度入射和极化变化时，吸收电磁波的能力大幅度降低，表现出的非鲁棒性成为相关领域亟待解决的工程技术挑战。

面向该实际工程需求，研究团队挖掘影响吸波材料鲁棒性背后的1到0问题，提出磁性材料与介电材料的晶界复合，是影响材料磁电耦合损耗及阻抗匹配效果的关键因素，而吸波材料与宏观三维结构的协同匹配效果会进一步影响吸波器件的整体吸收效果，因此提出了一种通过MOF/Fe的2D/2D晶界复合超材料吸波器制备新策略，成功实现了高性能超宽频的微波吸收效果。该吸波器同时具备出色的鲁棒性（即材料在面对入射角度与极化变化的性能稳定性），为设备在复杂环境下的稳定运行提供保障。通过三明治状半导体金属有机框架（SC-MOF）与二维铁材料（FCIP）的2D/2D晶界复合，实现了可靠的磁电耦合网络，结合独特的宏观3D超材料设计，在厚度仅为 9.3 mm的情况下实现了2-40 GHz的超宽带吸收。该超材料同时对斜入射（4–75°）和极化（TE/TM）具有稳定的响应。此外，超材料吸波器同时兼具优异的比压缩强度（201.01 MPa·cm³·g^-1）和相对较低的密度（0.89 g·cm^-3）。

首先通过溶剂热反应成功地合成了SC-MOF（CuHT）的2D微片，并进一步在溶剂环境下，通过晶界化学键合，实现与二维磁性材料（FCIP）的复合，得到了一种具有丰富晶体/晶体异质结和强磁电耦合网络的三明治状SC-MOF/Fe材料（CuHT-FCIP）（图1）。独特的2D形貌匹配特性赋予了CuHT和FCIP在磁电性能方面的异常兼容性。DFT理论计算和实验结果均完美证明了CuHT-FCIP内部大量层间电荷转移途径的产生，从而引发了基于磁电耦合机制的强烈电磁波损耗。

图1 CuHT-FCIP典型三明治状复合微观结构的表征及理论计算表征。（a-e）CuHT、FCIP及其2D/2D复合体（CuHT-FCIP）的形貌表征；（f）CuHT-FCIP的洛伦兹电镜表征；（g）CuHT-FCIP的AFM三维表征结果重建；（h-o）CuHT-FCIP复合体的DFT理论计算结果

基于CuHT-FCIP内部丰富的层间磁电耦合效应，进一步将CuHT-FCIP封装在低介电的环氧树脂（CuHT-FCIP-EP）中，不同组成的CuHT-FCIP-EP复合材料在2 GHz至18 GHz范围内能够对有效吸波带宽进行有效调制（图2）。频率相关的介电/磁损耗因数图中的同步峰值表示强磁电耦合损耗的出现，预示着在相应频率下具有很强的电磁波吸收。经优化后的多组分复合材料能够实现在不同频率下的磁电耦合，以及显著提升的阻抗匹配以合RCS缩减效果。

图2 CuHT-FCIP-EP复合材料的电磁性能表征。不同组分比例下CuHT-FCIP-EP的反射损耗图（a-c）、介电/磁损耗因子图（d-f）、界面阻抗（g）以及RCS（h）；（i）CuHT-FCIP-EP的性能多维度对比

单层吸波剂由于因果关系的约束，仍难以满足超宽频电磁吸收的实际应用需求。尤其是当入射角变化较大时，基于色散特性的电磁波吸收材料会面临吸收效率显著下降。3D超材料则能够协同材料与结构的双重优势，在直接衰减电磁波能量的基础上通过结构共振和腔体结构的二次反射进一步衰减。因此，作者们进一步基于梯度阻抗原则，优化设计了一种超材料结构单元，协同上述不同组分材料阻抗匹配特征，实现了吸波器在整个2-40 GHz范围内的超宽带电磁波吸收效果（图3）。

图3 CuHT-FCIP-EP超材料吸波器的设计。（a）超材料结构示意；（b）超材料阻抗匹配贡献曲线；（c）超材料表面电场、磁场和能量损耗分布；（d-g）超材料阻抗匹配Smith曲线

远场电磁波反射测试表明，该超材料吸波器在整个2-40 GHz频率范围内实现了符合模拟预期的电磁波强吸收效果。此外，作者们还评估了不同偏振和斜入射角下电磁波吸收的鲁棒性（图4）。在TE模式下，吸波器在4°至60°范围内的所有情况下均可实现38 GHz的EAB。即使在增加至75°入射角的情况下，它仍然保持超过34.2 GHz的EAB。此外，在TM模式下表现同样出色。

图4 CuHT-FCIP-EP超材料吸波器的实测性能验证。（a）超材料模拟与实测反射曲线；（b）超材料实物图；（c）超材料性能比较；（d-f）超材料在TE/TM及不同角度下的反射率图；（h）超材料电磁吸收机理假设；（i）超材料的综合密度

基于二维半导体MOF与二维铁磁材料的强2D/2D磁电耦合损耗机制所制备的电磁超材料展现出超强的电磁吸收鲁棒性。此项设计策略打破了传统吸波材料所持续面临的吸波带宽、角度与极化的设计限制，同时简单可放大的制备工艺和优异的综合机械性能使其在未来大规模生产和开发方面具备独特应用前景。

该项工作得到国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划等资助。西北工业大学化学与化工学院博士生屈宁和孙寒旭为第一作者，孔杰教授、邢瑞哲博士为通讯作者。全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49762-4。