卓立全自動化拉曼光譜分析系統檢測揭示手性-磁異質結構低頻吸波機制

引言

基于5G技術的電子設備為生活帶來極大便利，現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鍵挑戰。研究揭示磁性材料在低頻微波領域受Snoke極限制約，常通過幾何調控設計非對稱磁各向異性結構及納米磁異質界面突破該限制，顯著提升磁導率。碳納米線圈（CNCs）憑借其三維螺旋手性模板特性，既可通過適度導電性優化阻抗匹配，又能誘導磁組分非對稱分布，為構建輕量化寬頻5G電磁防護材料提供創新思路，因此被認為是構建手性磁性吸收體的優良材料。

構建基于碳納米線圈（CNC）的手性-介電-磁三位一體復合材料被認為是實現優異低頻微波吸收的一種有前途的方法。然而，進一步增強低頻微波吸收和闡明相關損耗機制仍然是一個挑戰。近日，大連理工大學物理學院潘路軍教授團隊在《Nano-Micro Letters》期刊發表題為《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。三維多孔碳泡沫網絡具有良好的阻抗匹配和強傳導損耗。金屬/碳界面的形成引起了界面極化損失，密度泛函理論計算證實了這一點。進一步的磁導率分析表明，納米級手性磁異質結構具有磁釘釘和磁耦合效應，增強了磁各向異性和磁損耗能力。由于介質性、手性和磁性的協同作用，三位一體復合泡沫具有優異的微波吸收性能實現了全C波段覆蓋。該研究為實現寬帶微波吸收的手性-介電-磁三位一體復合材料的微觀結構設計提供了進一步的指導。

成果展示

圖一：CCF和FCCF復合材料的合成過程示意圖。

圖二：CF、CCF和FCCF復合材料的SEM圖像。

圖三：FCCF復合材料的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復合材料的TEM圖像如圖3a-d所示，FCCF復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區域沒有拉曼峰。對于FCCF和FCF復合材料，FeNi基粒子的引入導致在480 cm-1、570 cm-1和683cm^-1處出現三個主峰，對應于NiFe2O4的T2g（1）、T2g（2）和A1g振動模式。拉曼光譜結果進一步證實了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磁性異質結構，成功建立了具有手性磁性單元的3D互連網絡。

圖四：CCF和FCCF復合材料的微波吸收性能及多功能特性。

圖五：CCF和FCCF復合材料的介電常數及拉曼光譜。

CCF和FCCF復合材料的拉曼光譜均在1340.1 cm-1和1580.8 cm-1處出現D帶和G帶兩個特征峰，表明材料具有石墨結構。一般來說，D波段與G波段的強度之比（I_D/I_G）代表了石墨結構的石墨化程度。與CF和FCF樣品相比，CCF和FCCF樣品的I_D/I_G值更低，證實了CNC的引入促進了石墨化程度，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樣品的電子輸運能力非常弱。

圖六：CCF和FCCF復合材料的磁導率分析及微磁學模擬圖。

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大連理工大學潘路軍課題組簡介

潘路軍，大連理工大學物理學院教授，博士生導師。1988年于西安交通大學電氣工程系電氣絕緣技術專業本科畢業；1994年赴日本大阪府立大學工學部電子物理專業留學。2000年獲博士學位并留校擔任助理教授，其間兼任日本科學技術振興機構（JST）及日本新能源和產業技術綜合開發機構（NEDO）研究員；2007年底回國工作，受聘大連理工大學教授，博士生導師。歷任物理與光電工程學院光電工程系主任、物理與光電實驗中心主任、光學學科點負責人。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表論文80余篇；主編《基礎光學》，參編《ディスプレイ材料と機能性色素（顯示器材料和機能色素）》、《フィールドエミッションディスプレイ（場發射型顯示器）》、《Handbook of Nano Carbon （納米碳手冊）》。

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