Advanced Functional Materials | 泽攸科技ZEM系列台扫助力螺旋导电通路构建相干电磁损耗网络研究-泽攸科技

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Advanced Functional Materials | 泽攸科技ZEM系列台扫助力螺旋导电通路构建相干电磁损耗网络研究

发布时间：

2026-11-10

无线通信与雷达探测的快速发展，对兼具宽频带强衰减、可靠阻抗匹配与雷达散射控制能力的轻质微波吸收材料提出了迫切需求。碳基与碳-金属复合体系因碳骨架提供轻质导电与介电通路、金属或磁性畴引入异质界面与协同磁响应而备受关注。增强导电连通性可强化内部衰减，但同时加剧表面反射并限制微波进入。界面极化不足则会限制内部耗散。如何在空间上解耦致密导电域、同时保留分布式金属/N-C极化中心之间的连接以维持内部耗散，成为该类材料设计的核心难题。

MOF衍生架构因前驱体兼具金属物种、杂原子掺杂碳和多孔形成过程而成为合适平台，其多种机制对微波损耗的贡献取决于在GHz交变电磁场下局部电荷位移与极化弛豫能否发生、且同时保持阻抗匹配。有效的架构应组织导电通路、界面极化电位梯度与极化中心，协同电荷位移、偶极弛豫、阻抗匹配与微波激发。然而现有基于组分调控、界面工程与层级组装的方案虽可调节导电性、磁响应与界面极化，导电通路与极化活性界面之间的空间关系仍难以充分控制。引入功能域之间的中空空隙可缓解这一限制，但空间分离也可能孤立离散极化单元并削弱其电学耦合，因此构造既能维持导电连通、又具非常规电磁耦合的结构单元至关重要。

针对上述问题，由四川农业大学等组成的联合团队利用泽攸科技的ZEM系列台式扫描电镜进行了深入研究，该团队提出脚手架引导的生长-重构-转化策略，在螺旋碳纳米线圈骨架上构筑具有梯度中空腔的CoNi/N掺杂碳异质结构，通过空腔扩张实现导电域的空间解耦与极化中心的螺旋重连，构建出兼具强吸收、宽频带与良好阻抗匹配的相干电磁损耗网络。

标题：Helical Conductive Pathways Bridge Polarization Centers at Hollow‐Confined Metal/N‐C Interfaces to Form a Coherent Electromagnetic Loss Network
期刊：Advanced Functional Materials
网址：https://doi.org/10.1002/adfm.79316

研究首先聚焦于异质结构的构筑与形貌结构表征。研究团队以螺旋碳纳米线圈（CNC）引导ZIF-67前驱体生长，经Ni辅助阳离子取代与蚀刻并随后在Ar气氛中于700°C退火，制得CNC/CoNi@C-1~3中空系列，并以未蚀刻、无Ni的CNC/CoNi@C-4~6作为致密固态对照。借助泽攸科技ZEM18台式扫描电镜对样品的微观形貌与显微结构进行观察，结合SEM与TEM图像清晰显示空腔由CNC/CoNi@C-1的紧凑塌陷壳层与局部空腔、CNC/CoNi@C-2的较大空腔，逐步扩张至CNC/CoNi@C-3围绕螺旋骨架的超大空腔，X射线衍射峰保守归属为fcc Co相关金属畴，HRTEM观察到fcc Co/CoNi(111)0.204nm、fcc Co/CoNi(200)0.179nm、hcp Co(101)0.188nm及(Co,Ni)O相关(200)0.216nm等局域结构，其中Ni并入由合成路线、元素映射和XPS共同支持。元素分布显示Co、Ni、N沿螺旋骨架连续分布，为后续界面极化与损耗分析提供了结构基础。

研究随后聚焦于界面极化与介电响应的结构起源。氮气吸附-脱附测试表明，具有中空结构的CNC/CoNi@C-1~3比表面积显著高于致密对照CNC/CoNi@C-4~6，表明Ni辅助重构生成了更多可及孔道。Raman光谱显示ID/IG由1.187（C-1）、1.071（C-2）降至0.981（C-3），表明中空优化样品具有更有序的sp²碳与更优的连续电子耦合。KPFM线扫描进一步显示，CNC/CoNi@C-3呈现更连续、台阶式的表面电位变化，而CNC/CoNi@C-1呈离散而强烈的电位起伏，说明空腔扩张改变了介观表面电位景观。KPFM仅反映准静态表面电位与功函数差异，不直接量化GHz下界面极化或内建场，GHz响应由复介电常数与电模量分析独立支持。XPS分析Co2p、Ni2p与O1s表面化学态，揭示金属/N-C界面与(Co,Ni)O表面物种共存。电化学阻抗谱显示CNC/CoNi@C-3的低频阻抗弧更大，表明电化学界面电阻更高。双电层电容Cdl为1.20F·g⁻¹（CNC/CoNi@C-1为6.13F·g⁻¹），说明电解质可及电荷存储与泄漏减少，界面空间电荷环境发生改变并与KPFM表面电位重构一致。EIS/CV仅作为低频辅助界面探针，不进入GHz介电与反射损耗分析。

研究随后深入揭示了界面电子结构与极化中心的形成机理。功函数分析表明，N掺杂碳、CoNi与固态Co的功函数分别为3.69eV、4.63eV和4.99eV。由于N掺杂碳功函数低于CoNi和Co，电子由N-C向金属相迁移，形成由N-C指向金属的内建电场。PDOS结果显示Co3d与C/N2p在费米能级附近发生轨道杂化。电荷密度差图进一步表明，空心CoNi/N-C模型较固态Co/N-C模型具有更宽的电荷分离区，|Δz|由0.31Å增至1.11Å，|μ|约为固态模型的2.16倍。这说明中空结构并非最大化静态电荷转移，而是提供空间延伸的电荷分离区域，从而在微波激发下为界面电荷位移与偶极弛豫提供分布式极化中心。

研究最终落脚于宏观微波吸收性能与损耗机制。CNC/CoNi@C-3在3.33mm厚度下实现最小反射损耗RLmin=-54.80dB，在2.27mm厚度下有效吸收带宽EAB达6.29GHz，在3.00mm厚度时吸收窗口为8.31–12.31GHz、接近完整X波段覆盖。据图5，CNC/CoNi@C-1与CNC/CoNi@C-2的RLmin分别约为-12.56dB和-29.04dB。粉末样品的|Zin/Z0|与四分之一波长匹配曲线表明C-3具有更合适的阻抗状态。在CNC/CoNi@C-3基超材料模型中，Zeff实部接近1、虚部接近0，Smith圆图轨迹靠近匹配区，说明其电磁优势可在结构层面保留。电磁仿真显示C-3的表面电流更连续、去局域化，功率损耗在吸收体内部呈体积耗散而非集中于表面。在所比较样品中，RCS模拟显示其具有最强的雷达散射抑制。机制可归纳为三步架构-界面-耗散序列：空腔扩张抑制致密壳层堆叠与表面电流积累、改善微波进入与阻抗匹配。功函数失配与界面电子耦合建立金属/N-C极化中心与内建电位梯度。螺旋CNC导电通路将空间分离的极化中心重连为延伸的相干电磁损耗网络。缺陷/偶极极化与磁损耗作为次级衰减通道。耐蚀性测试显示CNC/CoNi@C-3的腐蚀电流密度为1.18×10⁻⁶A·cm⁻²，处于10⁻⁶A·cm⁻²量级。虽高于C-1，但在保持微波吸收性能的同时属于可接受的性能-耐久性权衡。

泽攸科技ZEM系列扫描电镜是一款集成度高、便携性强且经济实用的科研设备。它具备快速抽真空、高成像速度、多样的信号探测器选择，适用于形貌观测和成分分析，还能适配多种原位实验需求。该设备对安装环境要求低，不挑楼层，操作简单，非专业人士也能快速上手，能够更广泛地应用于新材料研发、生命科学、失效分析、工业质检等多个领域，为广大科研院所和企业用户提供了一套兼具高性能与高性价比的强大微观表征解决方案。