卓立全自动化拉曼光谱分析系统检测揭示手性-磁异质结构低频吸波机制

引言

基于5G技术的电子设备为生活带来极大便利，现有高性能微波吸收材料多集中于10-18GHz高频段，但其低频段（2-10GHz，尤其C波段4-8GHz）电磁辐射干扰问题日益凸显，如何拓展低频吸收带宽成为关键挑战。研究揭示磁性材料在低频微波领域受Snoke极限制约，常通过几何调控设计非对称磁各向异性结构及纳米磁异质界面突破该限制，显著提升磁导率。碳纳米线圈（CNCs）凭借其三维螺旋手性模板特性，既可通过适度导电性优化阻抗匹配，又能诱导磁组分非对称分布，为构建轻量化宽频5G电磁防护材料提供创新思路，因此被认为是构建手性磁性吸收体的优良材料。

构建基于碳纳米线圈（CNC）的手性-介电-磁三位一体复合材料被认为是实现优异低频微波吸收的一种有前途的方法。然而，进一步增强低频微波吸收和阐明相关损耗机制仍然是一个挑战。近日，大连理工大学物理学院潘路军教授团队在《Nano-Micro Letters》期刊发表题为《Multifunctional Carbon Foam with Nanoscale Chiral Magnetic Heterostructures for Broadband Microwave Absorption in Low Frequency》的研究论文。

本文首先在三维碳泡沫上合成了手性CNC，然后与FeNi/NiFe2O4纳米颗粒结合形成一种新型手性-介电-磁性三位一体泡沫。三维多孔碳泡沫网络具有良好的阻抗匹配和强传导损耗。金属/碳界面的形成引起了界面极化损失，密度泛函理论计算证实了这一点。进一步的磁导率分析表明，纳米级手性磁异质结构具有磁钉钉和磁耦合效应，增强了磁各向异性和磁损耗能力。由于介质性、手性和磁性的协同作用，三位一体复合泡沫具有优异的微波吸收性能实现了全C波段覆盖。该研究为实现宽带微波吸收的手性-介电-磁三位一体复合材料的微观结构设计提供了进一步的指导。

成果展示

图一：CCF和FCCF复合材料的合成过程示意图。

图二：CF、CCF和FCCF复合材料的SEM图像。

图三：FCCF复合材料的TEM图像、拉曼光谱和XRD谱图。

图. S2  (a)）XRD 图、（b, c）拉曼光谱及（d）磁滞回线

FCCF复合材料的TEM图像如图3a-d所示，FCCF复合材料的拉曼光谱如图3e，图2S（b，c）所示， CF和CCF样品在0-1000 cm-1区域没有拉曼峰。对于FCCF和FCF复合材料，FeNi基粒子的引入导致在480 cm-1、570 cm-1和683cm^-1处出现三个主峰，对应于NiFe2O4的T2g（1）、T2g（2）和A1g振动模式。拉曼光谱结果进一步证实了FeNi基颗粒中存在NiFe₂O₄，这与TEM图像一致。FCCF-1和FCCF-3样品的XRD图和拉曼光谱与FCCF-2样品的XRD图和拉曼光谱高度一致，表明FCCF-1及FCCF-3中也合成了FeNi/ NiFe₂O₄磁性异质结构，成功建立了具有手性磁性单元的3D互连网络。

图四：CCF和FCCF复合材料的微波吸收性能及多功能特性。

图五：CCF和FCCF复合材料的介电常数及拉曼光谱。

CCF和FCCF复合材料的拉曼光谱均在1340.1 cm-1和1580.8 cm-1处出现D带和G带两个特征峰，表明材料具有石墨结构。一般来说，D波段与G波段的强度之比（I_D/I_G）代表了石墨结构的石墨化程度。与CF和FCF样品相比，CCF和FCCF样品的I_D/I_G值更低，证实了CNC的引入促进了石墨化程度，提高了电子传递能力。CF样品的I_D/I_G值较高，说明石墨化程度较差。因此，CF样品的电子输运能力非常弱。

图六：CCF和FCCF复合材料的磁导率分析及微磁学模拟图。

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大连理工大学潘路军课题组简介

潘路军，大连理工大学物理学院教授，博士生导师。1988年于西安交通大学电气工程系电气绝缘技术专业本科毕业；1994年赴日本大阪府立大学工学部电子物理专业留学。2000年获博士学位并留校担任助理教授，其间兼任日本科学技术振兴机构（JST）及日本新能源和产业技术综合开发机构（NEDO）研究员；2007年底回国工作，受聘大连理工大学教授，博士生导师。历任物理与光电工程学院光电工程系主任、物理与光电实验中心主任、光学学科点负责人。近5年在《Advanced Functional Materials》、《Nano Energy》、《Nano-Micro Letters》、《Energy Storage Materials 》、《Chemical Engineering Journal 》、《Small》、《Carbon》等国际著名纳米期刊上发表论文80余篇；主编《基础光学》，参编《ディスプレイ材料と機能性色素（显示器材料和机能色素）》、《フィールドエミッションディスプレイ（场发射型显示器）》、《Handbook of Nano Carbon （纳米碳手册）》。

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