近期，我院马振辉教授与宁波大学、广东工业大学以及中山大学合作报道了一种通过自堆叠结构诱导的宽带高性能电磁波吸收材料。该以工作题目为“The Synergy of Multiple Polarization Effect to Boost Electromagnetic Energy Absorption”发表于Advanced Energy Materials，第一作者为宁波大学李达副研究员，通讯作者依此为为宁波大学刘鹏飞副研究员、广东工业大学邱硕阳副教授、中山大学侯仰龙教授和北京工商大学马振辉教授。该工作入选Advanced Energy Materials杂志封面。

随着电子通信、雷达探测、医疗成像等技术的飞速发展，GHz频段的电磁波被广泛应用，同时也导致了日益严重的电磁污染问题。电磁波吸收材料能够将入射的电磁能转化为热能或其他形式的能量，对于消除电磁干扰至关重要。设备小型化、轻量化的趋势对吸波材料提出了“薄厚度、轻重量、宽频带、强吸收”的新要求。其中，在较薄匹配厚度下实现宽的有效吸收带宽已成为满足实际应用需求的关键目标。

为了解决上述难题，该工作提出了一种新型自堆叠结构的电磁波吸收材料。该结构是通过nCo@NC（无孔碳上的约15 nm Co纳米颗粒）和pCo@NC（多孔碳上约150 nm Co纳米颗粒）堆叠而成。在这种微米级异质界面模型中，nCo@NC和pCo@NC之间的不对称电荷密度和不同的界面距离诱导了丰富的极化中心来吸收中频电磁波。此外，不同尺寸的Co纳米颗粒通过氮掺杂碳连接位点形成新型大偶极子，在10.0 GHz附近产生新型共振。此外，Co纳米颗粒、Co单原子和孔隙缺陷可以促进高频下的强吸收。结果显示，自堆叠吸收体表现出-125.8 dB的优异反射损耗值，2.5 mm处的有效吸收带宽为11.0 GHz。该研究阐明了偶极矩与电磁波响应频率之间的关系，为理解多极化机制和设计超宽带电磁波系统提供了重要参考。

图1 材料设计思想示意图

无孔的nCo@NC具有高的电导而容易引发趋肤效应，从而对电磁波进行反射。多孔的PCo@NC阻抗匹配较高，可实现宽频，然而容易透波，因此需要较厚的阻抗匹配厚度才能实现宽频的目的。而自堆叠的结果结合了二者的优势，且由于形成了纳米级的超级界面，从而进一步提升了吸波性能。

图2. Co@NC纳米片的制备与表征。

该研究基于多巴胺自聚合策略合成Co@NC复合材料。以CoCl2·6H2O为原材料，得到负载Co的~5 µm无孔碳纳米片。表征显示，Co纳米颗粒的平均尺寸为15.2 nm，无孔碳纳米片的厚度约为10 nm，颗粒呈典型的核壳结构，并伴有大量Co单原子和团簇。而采用Co(NO3)3·6H2O为原材料，可制备出负载Co的~10 µm的多孔网状碳纳米片，Co颗粒得到平均尺寸增加至152.7 nm，孔径为50-800 nm，同样存在大量的Co单原子和团簇。此外，Zeta电位为+34.5 mV的nCo@NC和Zeta电位为-20.4 mV的pCo@NC在强大的静电引力作用下，成功地堆叠在一起，从而引入大量微米级异质界面。同时，由于波状碳纳米片的存在，该体系中存在丰富的界面间距。

图3 基于DFT计算的极化机制研究。

通过对复介电常数虚部（e"）曲线的分析，结合德拜弛豫模型和密度泛函理论计算，系统阐明了多重极化机制：在4-5.3 GHz：共振峰归因于沿平面碳基体的长程电子迁移引起的极化弛豫。在5.6-8.7 GHz：双共振峰主要源于二维材料中的界面极化。自堆叠样品因波浪结构产生了丰富多样的内置电场，使共振峰显著宽化，贡献了6 - 8 GHz频段超过 - 115 dB的超强吸收。~ 9.8 GHz：自堆叠样品特有的共振峰，源于150 nm与15 nm Co纳米颗粒之间通过NC连接点形成的“大偶极子（1Co-NC-sCo）”的电子迁移。11.3-15.2 GHz：由不同尺寸Co纳米颗粒的偶极极化引起。小颗粒响应频率更高，大颗粒因偶极反转更难而响应频率较低。~ 16.0 GHz与~ 17.1 GHz：分别对应Co单原子/团簇诱导的偶极极化和孔隙边缘缺陷引起的缺陷极化。