嵌入ZnS纳米晶的NiFe纳米线在微波吸收性能上的显著提升：交换共振与介电极化弛豫的协同效应

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Superior Enhancement in Microwave Absorption Performance of NiFe Nanowires Inlaid with ZnS Nanocrystals: Synergistic Effect of Exchange Resonance and Dielectric Polarization Relaxation

轻质微波吸收材料的研究进展及其在ZnS/NiFe纳米丝中的应用

　　近年来，随着电子技术与无线通信的迅猛发展，电磁波的应用在各个领域变得愈发广泛。然而，电磁波的过度使用也带来了辐射污染问题，这不仅影响了电子设备的正常运行，还对人类健康构成威胁。因此，研究和开发具有优异电磁波吸收性能的雷达吸波材料（RAMs）成为了一个重要的课题。理想的RAMs应具备轻质、高反射损耗以及宽的有效吸收带宽（EAB），以满足实际应用中的多种需求。在众多研究中，铁基材料因其独特的磁性和导电性能被广泛用于RAMs的制备，但如何进一步提升其吸收性能仍然是一个挑战。

本研究中，科学家们通过一种简便且可大规模生产的工艺，制备了NiFe纳米线，并在其表面嵌入了不同比例的ZnS纳米晶体（5%、10%和15%）。实验结果显示，当ZnS含量为10%时，所得的ZnS/NiFe纳米线表现出最佳的微波吸收性能。其反射损耗在17.60 GHz时达到了-50.32 dB，而有效吸收带宽则达到了7.59 GHz，范围从10.41 GHz到18.00 GHz。这一显著的性能提升归因于ZnS纳米晶体在NiFe纳米线上的嵌入所带来的交换共振与介电极化弛豫损耗的协同效应。

在材料制备过程中，首先通过在平行磁场反应器中合成NiFe纳米线，随后利用ZnCl?和Na?S进行硫化反应，形成ZnS纳米晶体。这种工艺能够有效控制纳米晶体的嵌入比例，并保持纳米线的1D结构。为了验证材料的物理特性，研究人员采用了X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术进行分析。XRD结果表明，ZnS纳米晶体的嵌入并未改变纳米线的晶体结构，仍然以α-Fe的体心立方结构为主。SEM图像进一步证实了纳米线的形貌变化，尤其是当ZnS含量为10%时，纳米线的尺寸明显减小，但仍然保持了其结构完整性。

通过电子能谱（ESCA）和X射线光电子能谱（XPS）的分析，研究人员能够确认纳米线表面的元素分布及化学状态。ZnS纳米晶体的嵌入不仅增加了纳米线表面的异质界面，还可能影响其磁性和介电性能。此外，BET测量显示，随着ZnS的嵌入，纳米线的比表面积和总孔体积有所减少，这可能是由于ZnS纳米晶体的形成导致了纳米线表面缺陷的减少。

在微波吸收性能的评估中，研究人员使用了共轴线法来测定材料的复磁导率和复介电常数。实验结果表明，ZnS的嵌入显著增强了材料的介电极化弛豫损耗，同时提升了其磁导率。特别是在高频区域（11.4-18.0 GHz），材料表现出强烈的交换共振效应，这有助于提高其吸收性能。此外，通过计算衰减常数（α）和观察Cole-Cole图，研究人员发现ZnS纳米晶体的嵌入促进了多阶段的极化弛豫过程，从而增强了材料的整体吸收能力。

研究还发现，ZnS的嵌入不仅影响了材料的微观结构，还对其宏观性能产生了积极影响。例如，在1.5 mm厚度下，ZnS/NiFe纳米线复合材料的反射损耗达到-50.32 dB，而有效吸收带宽则扩展至7.59 GHz。这表明，通过合理设计材料的结构和成分，可以显著提升RAMs的性能。此外，ZnS纳米晶体的引入还改善了材料的阻抗匹配特性，使其在更宽的频率范围内表现出良好的吸收效果。

从研究结果来看，ZnS的嵌入不仅促进了磁性和介电性能的协同作用，还提高了材料的轻量化特性。通过优化ZnS的含量和纳米线的结构，研究人员成功制备了一种具有优异微波吸收性能的轻质复合材料。这不仅为RAMs的开发提供了新的思路，也为未来的电磁防护技术奠定了基础。总体而言，这项研究展示了通过结构调控和材料改性来提升微波吸收性能的可能性，具有重要的理论和应用价值。