异质结构镍钴双金属复合材料中的双重内置电场工程技术，用于增强电磁能量耗散

《Advanced Powder Materials》：Dual Built-in Electric Field Engineering in Heterostructure Nickel-Cobalt Bimetallic composites for Boosted Electromagnetic Energy Dissipation

双内置电场协同增强电磁波吸收：通过构建Ni0.5Co0.5/NiCoO2和NiCoO2/NCP双异质结，形成双BIEF系统，优化电荷分离与界面极化，实现2.8mm厚度下-51.5dB反射损耗及6.4GHz有效吸收带宽。研究揭示了BIEF调控电子传输与极化松弛的协同机制。

　　### 基于双内建电场结构的高性能电磁波吸收材料研究

在现代科技迅速发展的背景下，电磁波吸收材料的应用日益广泛，特别是在5G/6G通信系统和隐身技术领域。这些材料需要具备轻质、宽频带以及多尺度能量耗散能力，以满足不同应用场景下的性能需求。近年来，通过异质结构工程构建的内建电场（Built-in Electric Fields, BIEF）技术被证明是提升电磁波吸收性能的有效策略。然而，单一内建电场在实现阻抗匹配和宽频谱电磁衰减方面存在局限，导致其有效吸收频带（Effective Absorption Bandwidth, EAB）较窄。为了解决这一问题，研究者提出了一种双内建电场结构（Dual-BIEF），利用不对称梯度电场结构和多极化中心协调，实现了高效的宽频电磁波吸收。

双内建电场结构的构建依赖于异质界面的协同作用，其中半导体异质结和Mott-Schottky异质结的结合成为关键。通过将镍钴双金属纳米复合材料（Ni-Co bimetallic nanocomposites，如Ni_0.5Co_0.5和NiCoO₂）与氮掺杂纳米多孔碳（Nitrogen-doped Nanoporous Carbon, NCP）结合，形成了一种新型的复合结构，即Ni_0.5Co_0.5@NiCoO₂/NCP。该结构不仅提供了丰富的异质界面，还通过电荷迁移和极化效应，显著提升了电磁波的吸收性能。

在这一结构中，双内建电场通过电荷泵效应驱动电荷的定向迁移和转换，从而增强界面极化并减少电荷弛豫时间。理论计算表明，这种双内建电场结构能够同时调节导电性、增强极化弛豫、促进电荷分离并优化偶极子分布。在低频段，半导体异质结主导的介电损耗成为主要的能量耗散机制；而在高频段，Mott-Schottky异质结通过导电损耗实现对电磁波的有效吸收。这种双重机制的协同作用，使得材料在宽频范围内表现出卓越的电磁波吸收能力。

### 材料设计与结构调控

研究团队通过精确调控合成条件，实现了对材料相组成的可控设计。采用高温热解策略，将前驱体（如Co-Ni碳酸盐氢氧化物）转化为具有不同相态的镍钴双金属纳米复合材料。在500°C热解条件下，材料主要形成NiCoO₂半导体相；而在600°C时，Ni_0.5Co_0.5金属相与NiCoO₂半导体相共存；700°C时，材料完全转化为Ni_0.5Co_0.5金属相。这种结构调控使得材料在不同温度下表现出不同的电荷传输行为和极化特性。

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段，研究团队对材料的微观结构进行了详细分析。结果显示，CoNi/N/C-600样品中的镍钴纳米颗粒均匀分布在多孔碳基体中，形成具有高度有序结构的复合材料。此外，高分辨率透射电镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）进一步揭示了材料内部的晶格结构和界面特性。NiCoO₂和Ni_0.5Co_0.5两种相态在材料中并存，分别承担不同的电磁波吸收机制。NiCoO₂因其氧空位诱导的极化效应和界面弛豫能力，能够实现宽频段的吸收；而Ni_0.5Co_0.5合金则因其优异的磁性响应和优化的阻抗匹配，在低频段表现出更强的吸收能力。

### 材料性能分析

材料的电磁性能通过介电常数（ε_r）和磁导率（μ_r）的测量进行评估。其中，ε′（实部）和ε″（虚部）反映了材料对电磁波的存储和损耗能力，而μ′和μ″则与磁性响应相关。研究发现，CoNi/N/C-600样品在2.8 mm厚度下，表现出最低的反射损耗（-51.5 dB）和最宽的吸收频带（6.4 GHz），覆盖了Ku波段（11.6-18.0 GHz）。这表明该材料在宽频范围内具有优异的电磁波吸收能力。

为了进一步验证材料的吸收性能，研究团队还通过雷达散射截面（Radar Cross-Section, RCS）模拟分析了其隐身能力。结果显示，CoNi/N/C-600样品的RCS值显著低于其他样品，且在不同入射角度下均表现出优异的电磁波吸收效果。此外，RCS模拟结果与实验测量数据高度一致，进一步证明了该材料在实际应用中的潜力。

### 理论与实验的结合

研究团队结合了理论计算和实验分析，揭示了双内建电场结构对电磁波吸收性能的增强机制。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究发现双内建电场能够促进电荷的定向迁移和快速极化弛豫，从而显著提高材料的介电损耗能力。同时，电荷迁移路径的优化和界面结构的调控，使得材料在宽频范围内实现了高效的能量耗散。

此外，材料的阻抗匹配特性也得到了充分研究。通过调节材料的微结构和界面特性，研究团队实现了对电磁波的高效吸收。在CoNi/N/C-600样品中，阻抗匹配值（Z_in/Z₀）处于理想范围内（0.8 ≤ Z_in/Z₀ ≤ 1.2），使得电磁波能够顺利进入材料内部，减少反射。这种阻抗匹配的优化，是材料实现高效吸收的关键因素之一。

### 应用前景与意义

该研究提出的双内建电场结构，不仅提升了材料的电磁波吸收性能，还为高性能电磁波吸收材料的设计提供了新的思路。通过调控材料的相态和界面结构，研究团队成功构建了一种具有多极化协同效应的复合材料，其吸收性能在多个方面优于传统材料。特别是在Ku波段，CoNi/N/C-600样品表现出卓越的吸收能力，为隐身技术、电磁兼容性和无线通信设备的开发提供了重要的材料基础。

此外，该材料还具备良好的热稳定性和化学稳定性，能够在复杂环境中保持优异的性能。这使其在实际应用中具有更强的适应性和可靠性。同时，材料的轻质特性也符合现代电子设备对轻量化材料的需求，为未来的柔性电子器件和可穿戴设备提供了新的选择。

### 实验方法与材料合成

为了实现上述材料设计，研究团队采用了一种简便的水热法合成Co-Ni碳酸盐氢氧化物前驱体，并通过高温热解工艺将其转化为最终的纳米复合材料。在热解过程中，温度是影响材料性能的关键参数。通过控制热解温度，可以精确调控材料的相态和界面结构。500°C热解样品主要形成NiCoO₂半导体相，而600°C和700°C热解样品则分别形成了Ni_0.5Co_0.5金属相与NiCoO₂半导体相的协同结构。

实验结果显示，热解温度的升高不仅促进了材料的晶化过程，还影响了其缺陷密度和界面特性。例如，在600°C热解的样品中，缺陷密度适中，既能够促进电荷迁移，又不会导致过高的电导率。这种平衡使得材料在宽频范围内表现出优异的吸收性能。同时，热解过程中，氮掺杂纳米多孔碳的形成也对材料的导电性和极化特性产生了重要影响。

### 总结

本研究通过构建双内建电场结构，实现了对电磁波吸收性能的显著提升。这种结构不仅增强了材料的介电和磁性损耗能力，还通过优化阻抗匹配，实现了宽频段的高效吸收。实验与理论计算相结合，揭示了材料在不同频率下的能量耗散机制，并验证了其在实际应用中的潜力。未来，该材料有望在通信设备、隐身技术、电磁屏蔽等领域发挥重要作用，为新一代高性能电磁波吸收材料的开发提供新的方向。