哈工大材料学院周玉院士团队黄小萧教授在电磁波吸收材料损耗机理与性能优化研究中取得重要进展

近日，材料学院周玉院士团队黄小萧教授在新型轻质宽频电磁吸波材料的研制方面取得了重要进展。研究成果以《原子级掺杂调控石墨烯电学特性和极化损耗以增强电磁波吸收》（Integration of Electrical Properties and Polarization Loss Modulation on Atomic Fe-N-RGO for Boosting Electromagnetic Wave Absorption）为题发表在《纳微快报》（Nano-Micro Letters）上。该成果为碳基材料的介电损耗机理解析和吸波性能提升提供了新思路。

吸波材料可将电磁波能量转化为热能或其他形式的能量加以耗散，是解决电磁辐射污染、雷达隐身等问题的关键所在。石墨烯因其独特的二维结构、高导电性、大比表面积、低密度、强损耗等特点而倍受关注。然而，石墨烯高的介电常数和损耗机制单一等缺陷导致其阻抗匹配差、吸收强度弱和吸波频带窄。因此，基于石墨烯的零带隙属性和可调控的电学特性，如何开发有效调控石墨烯本身介电特性的策略仍然是吸波领域研究的重点和难点。

针对这一难题，研究团队发现合理地设计异质原子掺杂是打开石墨烯带隙的重要手段，利用N原子配位辅助策略，在原子尺度上将一系列单金属原子M -N₄（M = Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Cd和Sn）嵌入石墨烯中，显著调节了石墨烯的电导和介电频散特性。结合实验和第一性原理计算分析，原子的轨道杂化和电荷转移，使得掺杂位点可作为极化中心，实现偶极极化、界面极化、缺陷诱导极化和电导损耗机制的协同衰减。在填充量仅为1 wt%时，其反射损耗值达到-74.05 dB，最大有效吸收带宽实现7.05 GHz。该研究工作不仅为深入探究石墨烯的介电损耗机理提供了重要依据，同时也为新型高性能碳基吸波材料的开发提供新的策略。

哈工大为该论文的唯一通讯单位，材料学院博士生张凯丽为第一作者，王祯和黄小萧教授为共同通讯作者。

该研究获国家自然科学基金重点项目、部委项目、黑龙江省头雁团队等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01518-x

图1 原子掺杂石墨烯多重损耗吸波机理示意图

图2 a-d为异质原子掺杂石墨烯的介电性能，e为显著提升的吸波性能，f和g为差分电荷密度结果，h为本研究与相关文献的性能对比