铁钼/二硫化钼核壳异质结构,具有可调1T/2H相比例,用于宽带电磁波吸收

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》:FeMo/MoS 2 core–shell heterostructures with tunable 1T/2H phase ratios for broadband electromagnetic wave absorption

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年10月28日 来源:ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA 13.5

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  摘要实现高效宽带微波吸收仍然具有挑战性,这源于阻抗匹配与电磁衰减之间的内在矛盾,尤其是对于电导率低且磁损耗可忽略的本征MoS2而言。在此,提出了一种磁-介电协同设计,通过水热合成结合热退火制备FeMo/MoS2核壳纳米花状异质结构。在退火过程中,FeMo与MoS2之间形成了界面F

  

摘要

实现高效宽带微波吸收仍然具有挑战性,这源于阻抗匹配与电磁衰减之间的内在矛盾,尤其是对于电导率低且磁损耗可忽略的本征MoS2而言。在此,提出了一种磁-介电协同设计,通过水热合成结合热退火制备FeMo/MoS2核壳纳米花状异质结构。在退火过程中,FeMo与MoS2之间形成了界面Fe–S键,调控了1T/2H相比例。金属性1T相增强了导电损耗和界面极化,而2H相则维持了适中的介电常数以实现良好的阻抗匹配。优化后的复合材料在2.2 mm厚度下实现了5.84 GHz的有效吸收带宽和?46.04 dB的最小反射损耗。这种性能源于1T/2H和FeMo/MoS2界面处的协同极化,以及磁-介电协同带来的优化阻抗匹配。纳米花形貌进一步促进了多次反射和散射。这项工作为设计高性能宽带微波吸收材料提供了新途径。

引言

电磁波作为信息传输的主要载体,在现代通信、电子仪器和军用雷达系统中不可或缺[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。然而,随之而来的电磁辐射污染日益严重,不仅对精密电子设备的正常运行造成严重干扰,还对人类健康构成潜在威胁[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。因此,有效减轻此类污染已成为一个关键的研究重点[16], [17], [18]。宽带、高效电磁波吸收材料的发展被广泛认为是关键解决方案,其核心挑战在于调和两个相互矛盾的要求:最优的阻抗匹配以允许入射波最大程度地进入吸收体,以及强电磁衰减以将波能耗散为热能或其他形式[19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]。然而,传统的单一损耗材料很少能同时满足这两个标准。
在介电损耗吸收材料中,二维过渡金属二硫族化物(TMDs)因其独特的层状范德华结构、大比表面积和可调电子性质而引起了广泛关注[27], [28], [29], [30], [31], [32]。二硫化钼(MoS2)作为代表性TMD,具有弱层间相互作用和丰富的边缘活性位点,赋予其较高的比表面积和良好的介电弛豫能力[33], [34], [35], [36], [37]。其两种典型晶相,包括半导体性2H相和金属性1T相,提供了不同的优势:2H相提供化学稳定性,而1T相则贡献高电导率和丰富的活性位点[3], [10], [38]。近年来的研究表明,相工程、缺陷调控和碳掺杂可以显著增强MoS2的吸收性能[39], [40], [41]。例如,混合1T/2H异相结构促进了相边界处的电荷积累,增强了偶极极化,而碳掺杂进一步改善了导电网络,实现了超过4.0 GHz的有效吸收带宽[10], [42], [43], [44], [45]。然而,单组分MoS2存在固有的磁损耗缺失问题;其复磁导率在大多数频率范围内几乎保持为1[46], [47], [48]。因此,入射波倾向于在表面反射而非内部吸收,特别是在低频区域(2–8 GHz),严重限制了其作为独立吸收体的实际应用[49], [50]。
为了克服这一缺陷,许多研究将MoS2与磁性组分结合,如铁氧体[51], [52], [53]、磁性金属[2], [54], [55]或合金[33], [56], [57],旨在通过磁-介电协同优化阻抗匹配。尽管这类复合体系在实验中取得了显著的平均反射损耗值,但若干基本问题仍未解决。首先,磁性相的引入常常导致密度增加和颗粒团聚,使得界面结构难以控制,介电与磁贡献之间的定量平衡也难以优化[58], [59]。其次,大多数磁性金属在高频下遭受严重的涡流损耗,导致频率稳定性恶化,而在低频范围内,由于其磁导率色散,经常表现出阻抗失配[60], [61]。第三,MoS2壳层与磁性核之间的界面极化机制尚未被系统地解耦,当前材料设计在很大程度上仍是经验性的,缺乏清晰的协同增强路径[62], [63]。
在此,我们提出使用软磁FeMo合金作为磁性核,其具有适中的饱和磁化强度、低涡流损耗以及与纯铁相比更优异的高频稳定性。重要的是,其富Fe表面可与MoS2的边缘S原子反应形成界面Fe–S键,从而能够调控MoS2壳层中的1T/2H相比例。通过水热硫化工艺,在FeMo表面原位生长具有可控1T/2H混合相的MoS2壳层,形成核壳异质结构。FeMo核提供稳定的磁损耗并调节复磁导率。MoS2壳层贡献介电损耗。FeMo/MoS2界面处的功函数差诱导显著的界面极化,进一步增强介电弛豫。更重要的是,通过改变FeMo与MoS2的比例,可以有效调控壳层中1T相和2H相的相对比例,从而在介电侧实现电导率和极化弛豫时间的协同优化。最终,磁损耗、介电损耗和界面极化有望在单一复合材料中实现平衡的阻抗匹配和衰减能力。优化后的FeMo/MoS2复合材料在匹配厚度为2.2 mm时实现了5.84 GHz的有效吸收带宽和?46.04 dB的最小反射损耗。该策略不仅为克服MoS2基吸收体的性能瓶颈提供了一条可控且可扩展的路径,而且为高性能电磁波吸收的异质界面吸收体协同设计提供了新的见解。

章节片段

MoS2纳米花的制备

将1.24 g四水合七钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)溶于20 mL去离子水中,在超声和磁力搅拌下形成均匀的钼前驱体溶液。另将4.26 g硫脲(CH4N2S)在相同条件下溶于20 mL去离子水中,得到澄清的硫前驱体溶液。然后将两种溶液混合并充分搅拌,形成均匀的前驱体混合物,命名为溶液A。随后,

结果与讨论

如图1b所示,S1–S4 FeMo/MoS2复合材料的XRD图谱同时显示出FeMo合金和MoS2的特征衍射峰,所有峰位置均与本征FeMo和本征MoS2(图S1a)相匹配,证实了FeMo/MoS2异质结构的成功合成。位于2θ = 37.85°、41.42°和43.55°处的衍射峰分别归属于FeMo合金的(?110)、(433)和(321)晶面(PDF#97-063-2620)[64],其中

结论

总之,通过水热法结合300 °C热退火,成功制备了具有核壳纳米花状异质结构的FeMo/MoS2复合吸收体,并系统研究了不同FeMo/MoS2摩尔比对相组成、界面结构和微波吸收性能的影响。核壳纳米花状结构有效增加了比表面积和异质界面面积,延长了

CRediT作者贡献声明

龙伟: 形式分析。米卓: 数据管理。谢辉: 写作–审阅与编辑,监督,形式分析。马毅: 写作–初稿,调查,形式分析。罗希希: 写作–审阅与编辑,监督,概念化。黄涛: 形式分析。张亚龙: 数据管理。王悦: 形式分析。胡平: 写作–审阅与编辑,形式分析。

利益冲突

所有作者均声明不存在需要申报的竞争利益。

数据可用性

数据可应要求提供。

竞争利益声明

? 作者声明,他们不存在已知的竞争经济利益或个人关系,这些关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金(52675255)、陕西省自然科学基础研究计划(2025JC-YBMS-396)、陕西省创新能力支撑计划(科技创新团队,2025RS-CXTD-027)以及陕西省创新能力支撑计划(2025ZY1-GNYZ-03、2026RC-KJXX-141和2026GH-KJFZ-232)的资助。
马毅|罗希希|王悦|胡平|黄涛|张亚龙|龙伟|米卓|谢辉
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