Spontaneous Orientation Polarization of Anisotropic Equivalent Dipoles Harnessed by Entropy Engineering for Ultra-Thin Electromagnetic Wave Absorber

通过熵工程利用各向异性等效偶极子的自发取向极化实现超薄电磁波吸收器

Honghan Wang1, Xinyu Xiao1
通讯作者: Shangru Zhai, Chuang Xue, Renchao Che, Junye Cheng
1 大连工业大学轻工与化学工程学院
2 大连理工大学生命科学与技术学院
3 香港理工大学机械工程系
4 齐齐哈尔大学材料科学与工程学院
5 复旦大学先进材料实验室
6 深圳北理莫斯科大学材料科学系
DOI: 10.1007/s40820-024-01507-0

PDF原文

Nano-Micro Letters
2025年

论文亮点

提出了高熵合金（HEAs）内各向异性等效偶极子的自发取向极化增强机制，以增强HEAs的介电衰减。
将碳支撑源扩展到生物质类别，通过改进的碳热冲击方法构建与HEAs的壳核异质界面。

研究背景

高熵材料（如HEAs、HEOs等）因其高构型熵和独特的物理化学性质在多个领域有广泛应用，包括电磁波吸收。
通过调控组成元素和摩尔比，可以调节电子迁移模式，从而增强等效偶极子极化效应。
碳热冲击方法是一种制备纳米HEAs的有效策略，但传统方法中碳支撑体的氧含量保留不足，影响性能。

研究方法

本研究采用改进的碳热冲击方法制备CCP/HEAs复合材料：

  1. 使用碳化纤维素纸（CCP）作为碳支撑体，保留含氧官能团（O-）
  2. 制备不同摩尔比的金属盐溶液（FeCl3, CoCl2, NiCl2, CuCl2, ZnCl2, MnCl2）
  3. 将金属盐溶液滴加到CCP上并在氮气环境中干燥
  4. 使用改良的碳热冲击设备在1873K温度下进行瞬时高温处理
  5. 通过控制冲击时间（50ms或100ms）制备不同样品：
    • CCP/MMSs（混合金属盐，50ms）
    • CCP/HEAs-Zn（等摩尔比，100ms）
    • CCP/HEAs-Mn（等摩尔比，100ms）
    • CCP/HEAs-Mn2.15（Mn摩尔比35%，100ms）

使用多种表征技术分析样品形貌、结构和化学状态，包括SEM、TEM、XRD、XPS和拉曼光谱等。

主要结论

成功制备了具有标志性壳核异质界面的CCP/HEAs-Mn2.15复合材料，在超薄厚度（1.03mm）下实现了高效的电磁波吸收（-51.35dB）。
理论计算证明单富电子位点的电子迁移模式是生成各向异性等效偶极子和增强HEAs-Mn2.15电子捕获能力的有效策略。
通过调节组成元素的电负性、价电子构型和摩尔比例，为优化HEAs的介电性能提供了相关理论基础。

改进的碳热冲击过程示意图

改进的碳热冲击过程示意图
图1: 改进的碳热冲击过程示意图及相应SEM图像和粒径分布统计

该图展示了改进的碳热冲击方法制备CCP/MMS、CCP/HEAs-Zn、CCP/HEAs-Mn和CCP/HEAs-Mn2.15的过程。通过使用生物质碳源和改良设备，成功保留了碳化纤维素纤维中的含氧官能团，为HEAs成核提供了活性位点。

材料结构与表征

材料结构与表征
图2: HRTEM图像、XRD图谱、元素映射图像、拉曼光谱和HEAs纳米颗粒成核机制

该组图像展示了CCP/HEAs-Zn和CCP/HEAs-Mn的高分辨率TEM图像、XRD图谱、元素映射图像和拉曼光谱分析结果。结果表明，随着Mn摩尔比的增加，HEAs纳米颗粒尺寸逐渐增大并趋于均匀分布，这与金属元素的催化活性有关。

XPS分析与电子结构

XPS分析与电子结构
图3: XPS光谱、d轨道PDOS、功函数、差分电荷密度和HEAs内的等效偶极子

通过XPS光谱分析和d轨道投影态密度(PDOS)计算，揭示了不同HEAs组分的电子迁移模式。CCP/HEAs-Mn2.15中Cu 2p的结合能向低能级移动，表明电子迁移效应增强并形成了稳定的偶极子。

CCP/HEAs-Mn2.15的结构与性能

CCP/HEAs-Mn2.15的结构与性能
图4: XRD图谱、元素映射图像、TEM图像、d轨道PDOS、功函数、差分电荷密度和电磁波吸收性能

该组图像展示了CCP/HEAs-Mn2.15的结构特征和电磁波吸收性能。材料具有典型的FCC晶体结构和无元素偏析的均匀分布，形成了标志性的壳核异质界面。在超薄厚度(1.03mm)下实现了-51.35dB的高效电磁波吸收。

电磁波吸收机制

电磁波吸收机制
图5: CCP/HEAs-Mn2.15的电磁波吸收机制

该图展示了CCP/HEAs-Mn2.15的电磁波吸收机制，包括：1) 含氧官能团作为偶极子促进偶极极化；2) 单富电子位点(Cu)诱导形成局部等效偶极子；3) 一维碳化纤维素纤维提供导电损耗；4) 三维导电网络提供多重散射和反射空间。

多功能电磁模拟

多功能电磁模拟
图6: 3D RCS图、RSC值、极坐标系中的RCS和RCS减少值以及表面电流分布

通过雷达散射截面(RCS)模拟和超宽带带通滤波器设计，验证了材料在实际场景中的应用潜力。CCP/HEAs-Mn2.15在超薄厚度下实现了有效的电磁衰减，CCP/MMSs-20%作为介电基板设计的滤波器实现了7.68GHz的超宽通带。