复旦大学《Carbon》：取向磁性碳微球，优异吸波性能！

原创材料科学与工程材料科学与工程

一、研究背景

磁性材料在信息存储、传感器、磁流体和雷达隐身等传统学科中有着重要的应用。近年来，随着纳米材料科学技术的发展，不同磁响应材料的应用和发展受到越来越多的关注，特别是在提高存储元件、微纳器件、生物医学应用和电磁波能量转换方面的潜力。同时，响应机制由磁导率、矫顽力、剩磁和磁损耗组成，构成了复杂的相互作用的行为。

磁性材料的固有特性反映为饱和磁化强度、居里温度、磁各向异性和磁致伸缩，这受到各种因素的影响。同时，具有特殊电磁特性的磁性材料与以下因素高度相关:（1）尺寸和形状。形状和长径比不同的磁性晶体在研究矫顽力和磁性方面具有巨大的潜力，如球形、棒状、立方体、纺锤形等，（2）组分调节。固有饱和磁化强度和通过调整晶格参数、设计特殊的界面和合金化不同的金属物质，也可以有效地提高材料的磁导率。(3)磁畴结构。从多畴、涡旋畴到单畴或超顺磁性，纳米粒子的磁畴结构取决于其粒径。在纳米膜单元如圆形、椭圆形、正方形、六角形和三维纳米结构:薄片、管、立方体、椭圆体中都观察到或计算到典型的涡旋结构。同时，由于颗粒尺寸较大，涡流磁性纳米颗粒显示出比超顺磁性颗粒更高的磁导率和饱和磁化强度。此外，在磁性基底中加入纯介电材料是调节目标复合材料磁性能的另一种有效方法。

二、研究成果

通过控制磁性材料的生长可以有效地调控表面磁性结构和电磁响应行为，这一直是一个巨大的挑战。在这里，复旦大学车仁超教授团队通过将Kirkendall扩散应用于取向生长过程，开发了原位取向生长策略来构建微米级Fe₃O₄-Fe₃O₄@C异质结。经过沉淀和相变过程，取向的Fe₃O₄八面体位于各向异性的Fe₃O₄@C体中，构建了各种磁性构型，增强了杂散磁场强度。合成的磁性介电微球对电磁波表现出优异的能量转换能力，包括强反射损耗(RL: 40.8分贝，2.0毫米)和超宽吸收区(~11.04 GHz，测试频率的~69%)。晶界附近的局部电荷密度分布在形成增强的界面极化中起着关键作用，其特征是离轴电子全息。更重要的是，在外加磁场下首次观察到动态响应机制。改变磁配置会引起磁通量分布的重新排列，从而提供内部磁反馈。上述Fe₃O₄-Fe₃O₄@C复合材料的介电和磁性研究对能量转换机制有了突破性的认识。这项研究工作以“Orientation growth modulated magnetic-carbon microspheres toward broadband electromagnetic wave absorption”为题发表在国际著名期刊《Carbon》上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S000862232030909X

图1.通过Kirkendall扩散效应和取向生长过程，Fe₃O₄-Fe₃O₄@C异质结构的可能形成机制

图2. 吸波机理

图3 扫描电镜表征

图4 TEM表征

图5 反射损耗图

三、结论与展望

综上所述，作者精确设计了微米级Fe₃O₄-Fe₃O₄@C异质结构复合材料，包括喷雾干燥、相变和原位定向再生长。定向Fe₃O₄多面体植根于Fe₃O₄@C体，构建独特的表面磁性构型。优化的Fe₃O₄-Fe₃O₄@C吸波材料的最大RL值为40.8分贝，具有超宽的有效吸收范围，匹配厚度仅为2.0毫米，覆盖11.04 GHz，6.96 GHz至18 GHz。探索损耗机制进行观察，局部电荷密度分布表明价电子聚集在微米级界面区域，这有利于提高介电损耗。粒子中发生的各向异性磁耦合不仅扩大了响应范围，而且提高了能量耗散强度。通过直接观察动态磁响应现象来探索微观尺度磁性Fe₃O₄-Fe₃O₄@C异质结中的磁损耗机制，这有力地支持了关于磁耗散特性的探索性结论。更重要的是，三维导电网络和磁耦合网络中出现了有限的磁电协同效应，这为设计具有强损耗能力和宽吸收频率的磁控溅射材料提供了指导。（文：one end）

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