氮掺杂调控内置电场强度优化Co@N-TiO2/TiN复合材料的多频段电磁波吸收性能

针对异质结构中内置电场(BIEF)强度调控困难导致的介电常数频响特性与阻抗失配问题，研究人员通过氮掺杂策略构建Co@N-TiO2/TiN(Co@NTT)复合材料，实验与理论计算证实强BIEF可诱导界面电荷重分布，实现C波段(-62.2 dB)和Ku波段(-67.4 dB)的超强电磁波吸收，为空间电荷工程调控电磁功能材料提供新范式。

　　

随着5G通信和电子设备的快速发展，电磁污染问题日益严峻，传统吸波材料面临吸收带宽窄、强度弱、阻抗失配等瓶颈。电磁波吸收材料的性能核心取决于介电常数和磁导率等电磁参数(EM parameters)，而内置电场(Built-in Electric Field, BIEF)作为异质结构中的关键调控因子，能通过界面电荷重分布优化这些参数。然而，现有技术难以精确调控BIEF强度，导致材料无法兼顾优异的介电损耗与阻抗匹配特性。

针对这一挑战，北京航空航天大学的研究团队在《Journal of Materials Science》发表研究，创新性地采用氮掺杂策略调控Co@N-TiO₂/TiN(Co@NTT)复合材料的BIEF强度。通过Ti₃CN MXene为氮源基底，结合高温煅烧构建氮掺杂异质结构，利用密度泛函理论(DFT)计算证实掺杂产生的空位可增强BIEF驱动电荷迁移。实验表明该材料在C波段和Ku波段分别实现-62.2 dB和-67.4 dB的最小反射损耗(RL)，有效吸收带宽(EAB)覆盖93.3% Ku波段，突破了传统材料单频段优化的局限。

关键技术包括：1) Lewis酸熔盐蚀刻法制备Ti₃CNT_x MXene基底；2) 高温热处理实现氮掺杂；3) DFT计算BIEF强度与电荷分布；4) 矢量网络分析仪测试电磁参数。

【材料设计与结构表征】
通过搅拌-高温热处理法制备Co@NTT（图1a），MXene表面-OH/-N等官能团与Co²⁺配位形成前驱体。X射线光电子能谱(XPS)显示Ti-N键形成，证实氮成功掺入晶格。

【电磁性能调控机制】
DFT计算表明氮掺杂使费米能级附近出现活性电子态，BIEF强度提升至1.32 eV/?，诱导界面电荷分离形成偶极矩。介电常数实部(ε')在2-18 GHz频段呈现多共振峰，证实增强的界面极化损耗。

【多频段吸收性能】
在2.5 mm厚度下，材料在4.5 GHz(C波段)和15.2 GHz(Ku波段)分别实现-62.2 dB和-67.4 dB的RL值，EAB达5.1 GHz。阻抗匹配比(Z=|Z_in/Z₀|)接近1，解决传统材料"强损耗-弱匹配"矛盾。

该研究通过原子尺度的电荷工程，阐明BIEF强度与电磁响应的构效关系，为设计多频段兼容的宽带吸波材料提供新思路。所开发的Co@NTT复合材料在军事隐身、电磁屏蔽等领域具有应用潜力，其氮掺杂策略可拓展至其他过渡金属氮化物体系。研究首次证实通过掺杂调控BIEF可同步优化介电损耗与阻抗匹配，为功能材料的电磁参数精确调控奠定理论基础。