北理工曹茂盛等：兼具优异吸波与柔性电子性能的三维多孔 MXene 基薄膜

图1. 结构工程和界面工程的构筑流程以及形貌表征。

如图1所示，展示了Ni-PMF薄膜的制备流程及其结构特征。示意图直观呈现了从MXene前驱体到复合薄膜退火成型的完整工艺流程。宏观照片显示，Ni-PMF及对照样品均具有优异的柔性与良好的可加工性。扫描电子显微镜(SEM)图像显示，Ni-PMF薄膜构建了清晰的三维孔隙网络结构，孔径约为500 nm，有助于电磁波在薄膜内部实现多次散射，从而延长传播路径并提升吸收性能。透射电子显微镜(TEM)及高分辨TEM(HRTEM)结果进一步证实，Ni纳米颗粒在MXene基质中分布均匀，并呈现金属Ni的晶格结构。元素分布映射显示Ti、Ni、O、C元素在Ni-PMF中均匀分布，验证了复合薄膜的成功制备。

此外，通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析了样品的晶体结构与化学状态(图2)。XRD图谱显示，各样品均保留了MXene的特征衍射峰，其中Ni-PMF和PMF的MXene (002) 峰向低角度偏移，表明层间距增大。Ni-PMF与Ni-MF同时显示金属Ni的特征衍射峰，并检测到ANF的衍射峰及少量TiO₂氧化峰。XPS分析表明，Ni-PMF薄膜中Ti–O键含量显著增加，这与Ni前驱体引入及高温退火过程中部分氧化作用密切相关。

图2. 样品的XRD和XPS图谱。

II 阻抗匹配与界面极化协同提升吸波性能

图3. 样品的电磁波吸收性能。

在结构工程与界面工程协同作用下，Ni-PMF薄膜有望展现优异的电磁波吸收性能。为此，对其电磁参数及电磁波吸收特性进行了系统表征(图3)。研究发现，掺Ni的MXene薄膜其介电常数低于纯MXene，这主要归因于Ni纳米颗粒破坏了MXene表面均匀结构，减少了极化位点；同时，由于Ni未形成连续导电网络，介电损耗也有所降低。相比之下，多孔结构的PMF和Ni-PMF较致密的MF和Ni-MF表现出更高的ε′和更低的ε″，这是由于多孔结构引入了额外界面及微电容器效应，从而增强了空间电荷极化。多孔结构同时破坏了连续导电路径，抑制电导损耗与介电损耗，并有利于阻抗匹配与能量储存能力的提升。

ε″曲线中出现的弛豫峰表明存在极化弛豫现象，根据德拜理论可通过Cole–Cole图进一步分析。Cole–Cole图显示Ni-PMF存在多重极化弛豫过程，这种多重弛豫行为主要来源于Ni纳米颗粒引入的异质界面及复杂多孔结构。磁性测试表明，Ni的引入显著提升了样品的磁导率实部和虚部，且磁损耗主要源于交换共振机制。反射损耗分析显示，Ni-PMF的最低反射损耗可达–64.7 dB(6.9 GHz)，有效吸收带宽达到7.2 GHz(厚度1.5 mm)，覆盖整个Ku波段，显著优于MF(–15.9 dB)、PMF(–25.8 dB)及Ni-MF(–35.5 dB)。衰减常数分析进一步表明，Ni-PMF具有适宜的能量耗散能力。结合阻抗匹配分析可知，其优异的电磁波吸收性能源于良好的阻抗匹配与高效的能量耗散机制。通过表面电场分布及功率损耗密度模拟进一步验证了Ni-PMF在吸收电磁波方面的优越性能。

图4. 吸波机理与模拟表征图。

基于上述结果，对Ni-PMF薄膜的电磁波吸收机理进行了系统分析。图4显示，多孔结构不仅改善了阻抗匹配，还显著延长了电磁波在薄膜内部的传播路径，并促进多重散射效应的产生。Ni纳米颗粒与MXene形成的异质界面诱导强烈的界面极化，MXene表面官能团则产生偶极极化，同时伴随传导损耗与磁损耗。多重机制协同作用，使Ni-PMF薄膜实现高效电磁波吸收。有限元模拟对比了堆叠结构与多孔结构的电场分布及功率损耗，结果表明多孔结构表现出更优的电磁响应能力。雷达散射截面(RCS)模拟进一步验证了Ni-PMF薄膜在实际远场条件下的应用潜力：与PEC涂层及其他对照样品相比，Ni-PMF涂层覆盖的飞机模型在6.9 GHz下的RCS显著降低，显示出其在电磁隐身领域的优异性能。

张新慈

本文通讯作者

哈尔滨师范大学 副教授

▍主要研究领域电磁功能材料。

▍主要研究成果

主要从事低维纳米结构以及新型复合纳米结构的可控合成、物理特性及微纳电子器件的构建与集成等领域的基础研究与应用研究。近5年，在Adv. Funct. Mater， Nano-Micro Lett.， Applied Physics Review、等国内外高水平期刊发表SCI论文二十余篇，论文被引总数达1000余次，H因子14，其中高被引、热点论文 6篇。发明专利2项，参与国家基金面上项目两项，主持黑龙江省自然科学基金1项。Carbon、J Phys Chem等期刊审稿人。

▍Email：zhangxinci@hrbnu.edu.cn

曹茂盛

本文通讯作者

北京理工大学 特聘教授

▍主要研究领域电介质材料、电磁功能材料及智能器件。

▍主要研究成果

《Carbon》编辑及国内多个期刊杂志编委。从事低维材料吸波、透波、压电等功能材料研究。主持完成国家自然科学基金重点项目及面上项目多项，主持完成国家重大需求项目和重点研发项目多项。获国家科技进步二等奖和省部级科技进步一、二、三等奖8项。在Adv. Mater.，Nat. Commun., Adv. Funct. Mater. 等发表论文400多篇。连续入选Clarivate全球高被引科学家，连续入选Elsevier全球高被引学者，连续入选斯坦福全球2% 顶尖科学家。

▍Email：caomaosheng@bit.edu.cn

李林

本文通讯作者

哈尔滨师范大学 教授

▍主要研究领域电磁功能材料。

▍主要研究成果

现任哈尔滨师范大学副校长、党委常委。主要研究方向为电磁功能材料与器件。曾先后主持国家自然科学基金3项、黑龙江省杰出青年基金1项，黑龙江省自然科学基金2项、中华人民共和国人力资源与社会保障部留学归国人员科技项目择优资助1项，黑龙江省教育厅重点项目1项，哈尔滨师范大学青年拔尖人才项目1项等，曾获黑龙江省科学技术奖(自然科学)二等奖1项(第一完成人)，中国发明协会创业奖创新奖二等奖1项(第一完成人)，中国发明协会创业人物奖。

▍Email：physics_lin@hotmail.com

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部