Small Structures:二维碳基材料电介质基因的高温电磁功能表达

5G网络拥有高效的信息传输、大数据的容量、快速的信息反馈等特征,为包括物联网、车联网、人工智能在内的万物互联技术奠定了坚实的基础。5G网络的发展使电子设备面临着越来越严峻的工作环境,对电磁功能材料的服役要求越来越苛刻。因此,新型电磁功能材料的研发成为一项挑战性的课题。

北京理工大学曹茂盛教授团队基于高温电磁特性的研究工作,对二维碳基材料(rGO-Fe3O4,GFe)内部的电介质基因进行了深入的剖析,揭示了可遗传的电介质基因高温演变规律,挖掘了电子电导和偶极弛豫的电磁响应机制。该项工作深度描述了二维电介质材料的电磁特性随磁性颗粒(Fe3O4)含量、环境温度及分布的演化规律,如图1所示。

图1 二维碳基材料的电磁特性。(a)12 wt% GFe,(b)20 wt% GFe和(c)28 wt% GFe的ε”;20 wt% GFe的(d)ε’,(e)εc”和(f)εp

曹茂盛教授研究团队指出,电介质基因可以分为传输电子和偶极子(缺陷、官能团、界面)两类,主导着材料内部的电磁响应和能量转换。他们深度分析了材料的电导率、弛豫时间和极化率,揭示了电导和弛豫的响应规律,如图2所示。在这项研究中,他们用“Chinese Ancient Painting”的手法生动形象地描述了电介质基因及温度特性,阐明了材料内部传输电子和偶极子的动态响应(图2中插图)。

图2 电介质基因的动态响应。(a)电导率;(b)极化率;(c)弛豫时间

材料内部电介质基因的鉴别和梳理,为高温下灵活调控电磁功能开辟了全新的视野。如图3所示,通过剪裁磁性颗粒含量,环境温度和空间分布,最佳反射损耗被优化到-59 dB,匹配厚度仅为1.17 mm。

图3 二维碳基材料吸波性能的评估图。(a)不同磁性颗粒含量的GFe吸波性能评估图;(b)12 wt% GFe; (c)20 wt% GFe;(d)28 wt% GFe; 20 wt% GFe样品(e)反射损耗和(f)带宽的评估图。

总之,曹茂盛教授研究团队系统地鉴别了二维碳基材料内部可遗传的电介质基因,研究了磁性纳米颗粒形成的新界面,阐明了电介质基因在材料内部的动态响应机制,成功实现了材料吸波性能在高温下的精准调控。这项工作为高效电磁功能材料和器件的研发奠定重要的理论基础。

论文信息:

Genetic Dielectric Genes Inside 2D Carbon-Based Materials with Tunable Electromagnetic Function at Elevated Temperature

Mao-Sheng Cao*, Jin-Cheng Shu, Bo Wen, Xi-Xi Wang, Wen-Qiang Cao

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100104

链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100104