东南大学孙正明/张培根等: 一维金属异质结构磁-介电协同增强低频微波吸收奏

Magnetic-Dielectric Synergy in One-Dimensional Metal Heterostructures for Enhanced Low-Frequency Microwave Absorption

Feiyue Hu, Peigen Zhang*, Pei Ding, Shuo Zhang, Bingbing Fan, Ali Saffar Shamshirgar, Wei Zheng, Wenwen Sun, Longzhu Cai, Haijiao Xie, Qiyue Shao, Johanna Rosen*, and ZhengMing Sun*

Nano-Micro Letters (2026)18: 155

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01995-8

本文亮点

1. 基于MAX相力化学分解衍生的Sn晶须，充分发挥一维高长径比与界面耦合优势，在其表面原位生长CoNi纳米片构筑分级一维异质结构，从而增强磁各向异性与介电损耗，实现显著的磁-介电协同效应。

2. 所构筑的CoNi@SnO₂@Sn(CNS)填料表现出优异的低频吸波性能，最小反射损耗达-62.29 dB，并实现2.2 GHz的低频有效吸收带宽，在70%吸收率标准下可完全覆盖C波段，整体性能优于多数已报道的低频吸收材料。

3. 基于CNS构筑的CNS/TPU柔性复合薄膜兼具优异的低频微波吸收与导热性能，同时保持良好的柔韧性与可加工性，展现出在通信电子器件电磁防护领域的应用潜力。

研究背景

随着5G通信技术的快速发展，S与C波段，尤其是n77、n78和n79等5G专用频段的电磁干扰与辐射污染问题日益突出，对低频(2–8 GHz)微波吸收(MA)材料提出了更高要求。然而，现有吸波材料多集中于中高频段，在低频区域普遍存在有效吸收带宽(EAB)窄、匹配厚度大以及阻抗匹配与衰减能力难以协同优化等问题，其根源在于低频下材料介电常数与磁导率之间难以实现良好匹配。尽管通过形状各向异性设计或磁-介电协同策略可在一定程度上改善低频性能，但仍受Snoek极限、高导电引发反射增强等因素制约，难以实现反射损耗、EAB与厚度的协同提升。同时，吸波过程中产生的热量及器件运行废热的积累，使材料兼具高导热性成为现实需求。一维金属材料因其优异导电与导热特性被视为理想候选，但现有链状或多晶结构仍受晶界散射限制，性能尚未达到单晶高长径比金属晶须的水平。尽管金属晶须在制备方法、成分种类和规模化方面存在瓶颈，近年来基于MAX相A位金属自发生长及力化学分解的新策略为高效构筑多样化一维金属材料提供了新途径。结合界面工程(如构建金属/金属氧化物异质界面)以调控介电常数和磁导率，有望实现低频阻抗匹配与能量耗散的协同优化，从而推动兼具优异低频吸波性能与高导热能力的新型一维金属基吸波材料的发展。

内容简介

针对低频微波吸收效率不足以及电子元件在电磁防护与运行过程中对高效导热性能的迫切需求，东南大学孙正明、张培根团队以Ti₂SnC MAX相为前驱体，通过力化学分解策略成功制备了表面原位氧化膜调控的Sn晶须，实现了优异的低频介电损耗特性。在此基础上，进一步采用水热法在其表面原位生长片状CoNi，构筑了CoNi@SnO₂@Sn(CNS)多壳层一维金属基异质结构。该结构通过磁-介电协同效应显著拓宽了低频阻抗匹配区间：一方面，片状CoNi增强了磁各向异性，提升自然共振与磁耦合效应；另一方面，CoNi/SnO₂与Sn/SnO₂多重异质界面诱导的界面极化损耗，协同Sn金属核的导电损耗，共同强化了对低频微波的衰减能力。得益于多重损耗机制的协同优化，CNS样品在低频区域实现了优异的吸波性能，最小反射损耗(RLₘᵢₙ)达到-62.29 dB(吸收率超过99.9999%)，有效吸收带宽(EAB)达2.2 GHz；在仅2.61 mm厚度下，即可实现对整个C波段70%以上的吸收率，展现出薄厚度条件下的强损耗与宽频吸收优势。进一步将CNS填料引入TPU基体制备CNS/TPU-2复合薄膜(填料含量20 wt.%)，其低频RLₘᵢₙ为-61.04 dB，EAB拓宽至2.5 GHz。同时，该复合膜的面内与面外热导率分别达到2.41和0.57 W m⁻¹ K⁻¹，分别为纯TPU膜的4.1倍和2.6倍，实现了吸波与导热性能的协同提升。该研究提出的磁-介电协同调控策略为提升一维金属基材料低频微波吸收性能提供了重要理论依据与技术路径，所构筑的复合薄膜兼具卓越低频吸波能力与高效热管理性能，在5G通信及柔性电子领域具有广阔的应用前景。

图文导读

I CoNi@SnO₂@Sn (CNS) 复合材料的制备与表征

图1展示了CNS多壳层一维异质结构的构筑过程及结构确证。通过改进的力化学分解方法，由Ti₂SnC MAX相原位衍生高长径比单晶Sn晶须，并形成表面SnO₂氧化层，实现导电损耗与介电损耗协同。在此基础上，水热生长片状CoNi合金，构筑Sn/SnO₂/CoNi多壳层结构。XRD与XPS结果证实β-Sn、SnO₂及CoNi合金的存在，以及多重金属/氧化物异质界面的形成。该分级结构为磁-介电协同损耗奠定了基础。

图1. CNS多壳层一维异质结构的制备流程及其物相与表面化学组成表征。

图2表明，Sn晶须为高长径比一维纤维结构，水热处理后片状CoNi均匀包覆其表面，形成丰富的2D/1D异质界面；而无模板条件下CoNi则呈链状结构。对比结果显示，模板诱导与成分差异显著影响外层形貌演化。TEM与HAADF清晰分辨出Sn核/SnO₂中间层/CoNi外层的多壳层结构，HRTEM与EDS进一步证实稳定的CoNi/SnO₂异质界面及元素分层分布，证明CNS分级异质结构的成功构筑。

图2. Sn晶须、CoNi及CNS的微观形貌。

II 低频微波吸收性能

图3系统评估了CNS的低频微波吸收性能及隐身能力。基于构建的低频高标准评价体系(EAB-90%、EAB-70%及EAB-60%)，结果表明Sn晶须和CoNi均具一定低频吸收潜力，但CNS在2–8 GHz范围内表现出显著增强的吸收性能，在6.6 GHz处实现-62.29 dB的RLₘᵢₙ(厚度2.44 mm)，EAB-90%达2.2 GHz，EAB-70%达4.0 GHz，覆盖整个C波段，匹配厚度均小于3 mm，体现出磁-介电协同策略的显著优势。进一步在2–18 GHz范围内，CNS的EAB-90%拓展至5.4 GHz，显著优于单一组分材料，且合金化结构明显优于单相NS或CS体系。电磁仿真结果显示，CNS涂层在6.6 GHz下可将PEC板的RCS在-90°至90°范围内降至-15 dB m²以下，并在多个低频点实现超过10 dB m²的RCS降低，最大降低值达34.53 dB m²，展现出优异的宽频隐身能力。综合对比现有先进低频吸波剂，CNS兼具薄厚度、强损耗与宽频带优势，是一种具有实际应用潜力的新型低频电磁防护材料。

图3. CNS在低频区的微波吸收性能及其RCS衰减表现。

III 低频微波吸收机制

图4从理论计算与实验表征两方面阐明了CNS低频吸波性能增强的介电损耗机制。基于第一性原理计算，Sn、CoNi与SnO₂之间存在显著功函数差异，构建的Sn/SnO₂与CoNi/SnO₂金属/半导体异质界面可形成内建电场，其中Sn/SnO₂电荷分离最强，CoNi/SnO₂优于单一Co或Ni界面；在交变电磁场作用下，这种内建电场周期性反转，引发界面极化并耗散电磁能。电磁参数测试表明，Sn晶须虽具有高介电常数但易导致阻抗失配，而构筑多壳层结构后，CNS在保持较优阻抗匹配的同时表现出更强的介电损耗能力，并在2–4.5 GHz区间展现出最大的衰减常数α，体现出优异的入射波衰减效率。进一步的HRTEM与GPA分析揭示CoNi片层中存在丰富的位错与晶格畸变，应变来源于Co/Ni原子随机占位及与SnO₂界面的晶格失配，这些缺陷可作为电荷捕获中心产生缺陷诱导极化，进一步增强电磁能耗散。Cole–Cole曲线显示CNS具有更多极化弛豫过程，且伴随明显导电损耗特征，综合证明多异质界面内建电场与缺陷极化协同作用是CNS实现强低频介电损耗的关键机制。

图4. CNS的低频介电损耗机制。

图5表明，CNS低频磁损耗的增强主要源于形貌调控带来的磁各向异性提升。磁滞回线结果显示，CNS具有更高的Ms与Hc，以及最大的各向异性常数|K1|，说明二维CoNi片层显著增强了形貌诱导磁各向异性，提高自然共振频率并在一定程度上突破Snoek极限的约束。电磁参数中，CNS表现出最高的初始μ′和μ″及更显著的自然共振峰，表明其磁损耗能力最强；涡流损耗虽存在但非主导。阻抗匹配分析显示，磁性修饰显著拓宽|Zin/Z0|接近1的匹配区域，使CNS在2.3–8 GHz范围内实现宽频有效吸收。结合电子全息结果可知，二维CoNi片层构建的三维磁耦合网络增强了磁响应。总体而言，增强的磁各向异性、自然共振与磁耦合作用，以及协同优化的阻抗匹配，是CNS实现优异低频吸波性能的关键。

图5. CNS的低频磁损耗机制与阻抗匹配特性。

IV 复合薄膜的特性

图6展示了CNS在柔性复合薄膜中的实际应用潜力。通过分散-真空干燥工艺制备的薄膜尺寸可控、形状可定制，柔韧可弯折且轻质(20 wt.%时密度仅1.2 g/cm³)。在≤30 wt.%填充下结构致密，其中CNS/TPU-2仍保持7 MPa以上拉伸强度和约550%断裂伸长率，并表现出良好的电磁屏蔽能力。随着CNS含量增加，面内与面外热导率显著提升(CNS/TPU-2分别达2.41和0.57 W·m⁻¹·K⁻¹)，源于构建的连续导热网络。吸波性能呈先升后降趋势，CNS/TPU-2表现最佳，低频区RLₘᵢₙ达-61.04 dB，兼具较宽有效带宽。整体而言，该复合薄膜实现了柔性、导热与低频高效吸波的协同集成，具备良好的电子器件电磁防护应用潜力。

图6. 柔性CNS/TPU复合薄膜的力学性能、导热性能与低频吸波性能。

V  总结

本研究围绕低频微波吸收材料在阻抗匹配不足、损耗能力有限以及散热性能受限等关键瓶颈问题，提出并构建了一种基于Ti₂SnC MAX相力化学分解衍生Sn晶须的磁-介电协同增强策略。以单晶Sn晶须为一维导电/导热骨架，其原位生成的SnO₂层形成金属/金属氧化物异质界面，有效提升低频介电损耗能力；进一步通过水热法在Sn/SnO₂表面组装二维片层CoNi磁合金，构筑2D/1D/1D多壳层CoNi@SnO₂@Sn(CNS)异质结构，实现磁损耗、导电损耗与界面极化损耗的多机制耦合。得益于CoNi形状各向异性增强所带来的自然共振频率提升及宏观磁耦合效应，以及Sn导电网络与丰富异质界面引发的强极化响应，CNS-2在低频区实现了以70%吸收率覆盖整个C波段(4.0 GHz)、RLₘᵢₙ达-62.29 dB、匹配厚度仅2.44 mm的优异性能，显著优于现有低频吸波材料。进一步将其与TPU复合构筑柔性CNS/TPU薄膜，在保持强低频吸收能力的同时，实现面内/面外热导率分别提升至2.41和0.57 W m⁻¹ K⁻¹，显著优于纯TPU。总体而言，本工作通过MAX相衍生一维金属模板与界面工程协同调控，建立了兼具低频强吸收与高效热传导能力的磁-介电一体化设计范式，为5G通信及柔性电子领域的电磁防护与热管理材料开发提供了新的理论依据与技术路径。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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