当前位置：首页>青岛>青岛大学吴广磊教授团队Adv Funct Mater: 协同能带和多尺度杂化工程用于电磁波吸收

青岛大学吴广磊教授团队Adv Funct Mater: 协同能带和多尺度杂化工程用于电磁波吸收

2026-02-15 12:36:03

随着智能通信、无人装备与新一代电子器件的迅速发展，电磁辐射污染问题愈加严峻，对轻量化、高效率、宽频带的电磁波吸收材料提出了更高要求。传统提升极化损耗的方法多依赖单一结构调控，难以同时调节能带结构、界面电荷行为与多尺度极化机制。如何从材料结构本源出发，实现空间电荷的有效激发、迁移与弛豫，是当前电磁吸收领域亟待解决的关键科学问题。

近日，青岛大学材料科学与工程学院吴广磊教授团队提出了一种“协同能带调控—多尺度杂化工程”策略，构建具有Co[Fm-3m]/TiO₂[I41/amd]/TiO₂[P42/mnm]多相共存结构的杂化半导体纳米晶（Hybrid Semiconductor Nanocrystals，HSNCs）。该结构可在原子、晶胞、晶界、微观网络多个尺度上精准调控空间电荷动态行为，实现显著增强的极化损耗与电磁衰减能力。相关成果以“Synergistic Band and Multiscale Hybrid Engineering in Polycrystalline TiO₂ for Enhanced Spatial Charge Polarization Relaxation”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

图1. a) HSNCs纳米复合材料配位辅助静电自组装示意图。ZIFs在混合溶剂中沉积的SEM图像，其中b1) 0 H₂O，b2) 25% H₂O，b3) 50% H₂O，b4) 75% H₂O和b5) 100% H₂O。c) CA 和CTT-0的XRD图谱，以及d) CTT-1、CTT-2、CTT-3、CTT-4和CTT-5的XRD图谱。e1) CTT-1、e2) CTT-2、e3) CTT-3、e4) CTT-4和e5) CTT-5的TEM图像。f1) CTT-4的Co 2p、f2) Ti 2p和O 1s XPS峰。f3) TiO₂中O_V结构的示意图。沿代表性晶面的颗粒尺寸（g1）Co[Fm-3m]、g2）TiO₂[I41/amd]和g3）TiO₂[P42/mnm]。h）所有样品中各相的平均粒径。

本研究提出一种配位辅助的静电自组装策略，成功构筑含Co[Fm-3m]/TiO₂[I41/amd]/TiO₂[P42/mnm]多相杂化结构的HSNC复合材料。通过调控ZIF 在H₂O/MeOH混合溶剂中的配位拓扑，由3D逐渐转变为2D构型，不同表面电荷与配位特性增强了其与MXene、CMC的吸附与协同组装能力，形成均匀的Ti₂C₃T_x@MOF@CMC网络，经冻干与热解得到一系列HSNC气凝胶。结构表征显示材料同时含有无定形/石墨化碳、两种TiO₂四方相以及导电Co纳米晶，构成多尺度杂化架构。XPS与缺陷分析证实TiO₂中存在大量氧空位，赋予其半导体特性并提升局域电子密度。晶面尺寸分析表明ZIF显著促进TiO₂晶体的各向异性生长，其中CTT-4各向异性最强。整体而言，该多尺度杂化结构为空间电荷传输提供了丰富通道。

图2. a) CTT-4的XRD Rietveld精修结果。b) HSNCs中各相的质量分数。c) HSNCs中各晶相的原子占位率。d) Co[Fm-3m]晶胞的晶格常数和V值。e) TiO₂[P42/mnm]晶胞的晶格常数和V值。f) TiO₂[I41/amd]晶胞的晶格常数和V值。g) CTT-0，h) CTT-1，i) CTT-2，j) CTT-3，k1-k3) CTT-4和l) CTT-5的高分辨透射电镜(HRTEM)图像。

XRD Rietveld 精修揭示了HSNCs的多相组成及含量变化：所有样品中TiO₂[P42/mnm]为主相，随ZIFs向2D拓扑演化，其比例整体下降，而Co[Fm-3m]与TiO₂[I41/amd]含量上升，不同能带与电荷特性相的可调比例为增强电磁性能奠定基础。晶格参数表明：2D ZIFs有助于抑制Co[Fm-3m]晶胞膨胀；TiO₂[P42/mnm]晶胞较稳定，而TiO₂[I41/amd]随ZIFs演化在a、b方向收缩、c轴拉伸，导致晶胞体积减小并提升空间电荷极化能力。原子占据率分析表明，Co 晶相结晶性随H₂O含量提高而增强，而TiO₂[I41/amd]中O占位率下降暗示氧空位增多，促进载流子富集与极化增强。HRTEM进一步确认了TiO₂晶区、非晶区、相界面、晶格畸变与原子空位等多重异质结构，这些缺陷与界面共同构建空间电荷去局域化与极化中心。

图 3. a)所有样品的ε′、b) ε″、c) ε_r和d)损耗角正切值。e) CTT-0、f) CTT-1、g) CTT-2、h) CTT-3、i) CTT-4 和 j) CTT-5的RL值。k) CTT-4在沿-z方向的x极化入射波下的功率流。l) CA、CTT-0和CTT-4的RCS数据。m) CA、n) CTT-0、o) CTT-0和p) CTT-5的Z值。

HSNCs的可调杂化结构决定其介电行为。随频率升高，复介电常数（ε′、ε″）整体下降，并伴随机构异质界面、缺陷等引起的弛豫波动。HSNCs显著提升介电储能能力ε′，其变化趋势与ZIFs拓扑调控密切相关；而复磁导率μ′、μ″接近1和0，说明磁损耗极弱。tanδ_ε明显高于tanδ_μ，表明介电损耗占主导，并与衰减常数α保持一致。反射损耗计算显示CTT-4取得最优吸波性能（RL_min-45.52 dB，f_E 4.64 GHz），厚度仅1.2 mm即可实现良好吸收，优于多类金属氧化物、碳化物、高熵材料等文献报道。阻抗匹配分析表明CTT-4的Z值最接近1，满足四分之一波长条件，使电磁波顺利进入并高效耗散。有限元仿真进一步揭示其显著降低RCS、在宽角度范围内保持优异隐身表现，并在传播路径中呈现逐级能量衰减，体现出HSNCs材料优异的电磁响应与吸收能力。

图 4. a) CA、b) CTT-0、c) CTT-4 和 d) CTT-5的仿真S参数。e) CA、f) CTT-0、g) CTT-4和h) CTT-5的仿真功率系数。所有具有1.4 mm吸收层的样品的仿真电流密度、极化强度和功率损耗密度。

HSNCs的输入阻抗与电磁衰减特性决定了入射电磁波的反射、透射与吸收行为。通过射频FEA模拟，分析了HSNCs的电流密度、极化强度及功率损耗密度。结果显示，铜板强反射使波难以穿透，S₁₁峰值降低主要源于电磁波吸收。其中，CTT-4在1.4 mm匹配厚度下S₁₁最低达-12.37 dB，吸收率高达94.21%。多相杂化结构的CTT-4因MXene引入而极化能力最强，对应最大功率损耗密度，表明HSNCs的电磁波吸收主要由极化损耗主导。

图 5. a)所有样品的Nyquist图。b) CTT-4的介电电容和c) CTT-4的电解质电容。d) CTT-4的电荷密度图像。e) TiO₂[P42/mnm]和f) TiO₂[I41/amd]的能带结构和所有异质纳米复合材料的态密度。g1) Co[Fm-3m]/TiO₂[P42/mnm]界面和g2) TiO₂[I41/amd]/TiO₂[P42/mnm]界面的差分电荷密度。h) 异质界面中能带排列和电子重新分布的示意图。i1) 0.25T和i2) 0.75T下CTT-4的电势和电场分布。j) 异质纳米复合材料的无线电力响应和空间电荷弛豫机制示意图。k) 端子电荷的动态变化。

本研究从实验与理论两方面系统解析了HSNCs增强电磁波吸收的空间电荷弛豫机制。通过电化学方法和DFT计算，揭示了多相杂化结构对载流子输运、能带结构及界面电荷分布的调控作用。电化学阻抗谱显示HSNCs存在微电容效应，多极化松弛效应通过Debye松弛曲线得以验证。DFT结果表明，不同晶相间能带差异驱动界面电荷离域化，再结合交变电场作用下的FEA模拟，电荷沿界面周期性运动并产生滞后重组，导致极化弛豫与能量耗散。CTT-4为例，其空间电荷弛豫过程表现出明显极化旋转与电荷迁移，最终显著增强电磁波吸收。该工作提出通过杂化结构调控半导体纳米晶界面电荷与能带的新策略，并揭示了空间电荷弛豫的基本物理机制，为高效电磁波吸收材料设计提供指导。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202524264

作者简介

吴广磊，青岛大学材料科学与工程学院教授，山东省泰山学者青年专家，山东省优青，山东省高等学校青创人才引育计划团队“结构-功能高分子复合材料研究创新团队”负责人，青岛大学第二层次特聘教授，博士生导师。作为项目负责人，已主持包含国家自然科学基金面上项目/青年项目、泰山学者青年专家项目、山东省省优秀基金项目等科研项目多项；至今以第一（共一）或通讯作者在Nat. Commun, Adv Funct Mater, Nano-Micro Lett., Chem. Eng. J., Small, Carbon, J. Mater. Sci. Technol.等发表高水平科研论文200余篇，其中影响因子大于10的SCI论文150余篇，高被引ESI论文30余篇，杂志封面论文2篇，SCI他引共计30,000余次，H指数110，i10指数300；授权国家发明专利5项；分别以第2位次和第4位次获省部级自然科学奖一等奖2项；连续入选2022年和2023年爱思唯尔“中国高被引学者”；连续多年入选全球前2%顶尖科学家榜单及全球顶尖前10万科学家榜单；担任Int. J. Miner. Metall. Mater.杂志编委及学科编辑、SusMat首届青年编委、J Mater Sci Technol 青年编委、Nano Research青年编委和Nano-Micro Letters青年编委。作为国家自然科学基金（面上、重点等）以及国家级高层次（青拔和青长等）人才评审专家。

热忱欢迎有物理、材料和化学等相关背景的研究生攻读博士研究生或者师资博士后或青年人才加入团队。

Email: wuguanglei@qdu.edu.cn/wuguanglei@mail.xjtu.edu.cn

个人主页：http://clxy.qdu.edu.cn/info/1020/1239.htm

贾梓睿，青岛大学化学化工学院副教授，青岛大学第四层次特聘教授，硕士生导师。主要从事新型电磁屏蔽复合材料、高导热绝缘及电磁相关材料的设计及开发，着重于微观结构、异质界面以及多组分的协同作用对电磁材料行为的影响规律。本科和硕士毕业于西安交通大学，指导教师成永红教授。2014-2017年在国家电网从事相关科研工作。于2017年9月进入西北工业大学化学与化工学院攻读博士学位，指导教师寇开昌教授。2021年5月加入青岛大学化学化工学院。以第一作者或通讯作者身份在Nano-Micro Lett.，Nano Res.，J. Mater. Sci. Technol.，Adv. Funct. Mater.，Compos. Part. B，Carbon等发表高水平科研论文80余篇，他引次数10000余次，授权国家发明专利2项；主持国家自然科学基金青年基金项目1项、山东省自然科学基金青年项目1项、中国博士后基金项目1项、产学研横向项目1项和青岛大学特聘教授启动人才项目。并担任国际期刊Adv Funct Mater、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry C、Composites Science & Technology、J Mater Sci Technol、Composites Part B、Chem Eng J等期刊特约审稿人等学术职务。