论文DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202505381

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该论文归纳总结了南昌航空大学刘崇波课题组在“构筑双内置电场工程”这一策略上的应用，并展示了该方法所得材料在电磁波吸收和军事雷达探测方面的应用，同时也指出了开发高效电磁波吸收材料的方法与电磁波吸收材料所面临的挑战和未来的发展方向。

研究背景

随着5G技术的快速发展，电磁波污染问题日益凸显，长期暴露于超标电磁辐射可能对人体健康造成严重危害。当前，通过构建内置电场（BIEF）增强界面极化损耗是提高电磁波吸收（EMWA）性能的有效策略，但单一内置电场对极化损耗的提升有限。本文针对这一瓶颈，提出了一种阴离子注入策略，通过调控材料功函数差异构建双内置电场（DBIEF），并引入介电生态系统概念，以增强电磁波能量耗散。

本文亮点

1.阴离子注入策略：通过O、S阴离子注入铌基材料（NbC/Nb₂CT_x），形成NbS₂、Nb₂O₅和NbC异质界面，构建双内置电场，显著提升极化损耗。

2.功函数差异调控：通过第一性原理计算可视化空间电荷的定向转移，揭示DBIEF增强界面极化的机理。

3.等效电路模型：阐明极化损耗与传导损耗的竞争机制，量化电磁能与热能的转化效率。

4.超材料设计：提出中空截断金字塔梯度结构，实现全频段（2–40 GHz）电磁波吸收及高入射角度不敏感性（60°）。

5.性能突破：最小反射损耗（RL_min）达−58.71 dB，有效吸收带宽（EAB）为7.92 GHz，雷达散射截面（RCS）最大减少值为39.18 dB·m²。

全文概述

①材料合成与表征：通过非常规溶剂热法制备单层Nb₂CT_x MXene，结合退火和阴离子注入（O、S）构建Nb₂O₅/NbC/Nb₂CT_x（SMO）和NbS₂/Nb₂O₅/NbC/Nb₂CT_x（SMOS）复合材料。XRD、XPS、SEM和TEM验证了阴离子成功注入及多重异质界面形成。（图1）

图1.a)阴离子注入策略构建先进电磁功能材料。b)复合材料的XRD图谱。c-d)复合材料的XPS图像。e-h)复合材料的SEM图像。e-h)复合材料的TEM图像。

②电磁波吸收性能：阴离子注入策略实现界面工程的有效调控，界面极化作用显著增强，RL_min达−58.71 dB，EAB为7.92 GHz（覆盖整个Ku波段）。（图2）

图2.a)复介电常数。b)复磁导率。c)复合材料的tanδ_ε和tanδ_μ图像。d-e)Cole-Cole曲线。h)衰减曲线。i-k)阻抗匹配曲线。l)Smith曲线。m-o)三维RL曲线。

③双内置电场机制：功函数的显著差异推动了BIEF的自发形成。异质界面的形成促进了电荷的不均匀分布及其方向性转移，从而增强了界面极化。当BIEF与外加电场相对时，电子集中在NbS₂一侧，增强了电荷分离效应，直至在外加电场和BIEF之间达到动态平衡。相反，当BIEF与外加电场一致时，集中在NbS₂一侧的电子向Nb₂O₅和NbC迁移。这种迁移受到DBIEF形成驱动力的抵制，最终达到新的动态平衡。因此，DBIEF促进了弛豫过程，使得电场内的空间电荷移动显著。这些电荷在高频电磁场的作用下定向移动，有效地衰减了入射的电磁能量。总之，DBIEF结构增强了系统内的电子传输。自发形成的肖特基结在优化极化弛豫中起着关键作用，从而提高了EMW的耗散能力。（图3）

图3.电荷密度分布图a)NbC、c) Nb₂O₅和e) NbS₂。Φ值b) NbC、d) Nb₂O₅和f) NbS₂。g)NbC、Nb₂O₅和NbS₂的DOS曲线。h)异质界面的DOS曲线。m) DBIEF理论示意图。i) Nb₂O₅-NbS₂和k) NbC-NbS₂的电荷密度分布图。j) Nb₂O₅-NbS₂和(l) NbC-NbS₂的平面平均静电势图。

④等效电路模型：为了更好地分析EMWA材料中的EMW能量转换过程，我们构建了一个专门的能量转换装置来说明EMW的耗散机理，如图4所示。在内置电场的影响下，被激发的电子定向地向传导模块迁移，产生微电流。在载流子迁移过程中，由于电子弛豫极化、晶格散射和磁滞效应，部分EMW能量转化为热能。基于Seebeck效应，载流子从热端移动到冷端并积累，在材料内部形成电位差。因此，EMW能量以其他形式储存在材料中。（图4）

图4.a)电磁模拟结果。b)等效电路模型和能量转换。c)W_C、W_P、W_M和E_D/E_S的二维曲线图。d-g）W_C、W_P、W_M和E_D/E_S的三维映射图。

⑤超材料设计：为了满足实际应用的需求，设计独特的中空截断金字塔超材料结构实现拓宽吸收频带，优化后的梯度结构将EAB拓宽到全频段吸收（2-40 GHz）。同时，为了进一步评估EMWA在现实场景中的性能和潜在的军事应用，我们进行了雷达横截面模拟。SMOS复合材料表现出优越的雷达隐身性能，最大RCS减少值为39.18 dB m²，表明该材料在应用于特定军事装备时可能产生意想不到的隐身效果。（图5）

图5. a)EMWA机制。 b)RCS值。 c)梯度结构设计。 d)Smith图。 e-f）在TE和TM极化角度下的RL。 g)超材料的电磁模拟的结果。

总结

本文提出了一种阴离子注入策略，通过调控功函数差异在铌基材料中构建双内置电场，显著提升了电磁波吸收性能。结合介电生态系统理论，揭示了极化与传导损耗的竞争机制，并通过等效电路模型量化能量转化效率。SMOS复合材料在2.0 mm厚度下实现RL_min=−58.71 dB，EAB为7.92 GHz。此外，创新的中空截断金字塔超材料设计兼具宽频吸收与角度不敏感性，为电磁防护材料的结构设计提供了新思路。该研究不仅深化了对电磁损耗机制的理解，也为开发高效、宽频电磁波吸收材料奠定了理论与实验基础。

课题组介绍

南昌航空大学环境与化学工程学院功能材料材料课题组刘崇波教授。2005年毕业于北京师范大学化学专业，获得博士学位。2007年至今在南昌航空大学任教授。在Advanced Functional Materials，Nano-Micro Letters，Chemical Engineering Journal，Composites Part B, Small Methods, ACS Applied Materials & Interfaces，Carbon等国际顶尖期刊发表二十余篇学术论文，在冶金工业出版社出版学术专著2部，获得发明专利授权30余项，主持国家自然科学基金3项，2008年第二届江西省青年科学家称号，江西省“远航工程”人才计划，2017年国家留学基金委公派佐治亚理工学院访问学者。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202505381