一种定制电磁吸收光谱的高熵策略：从GHz到THz的宽带吸收体

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：A high-entropy strategy for customizing electromagnetic absorption spectra: from GHz to THz broadband absorbers

　　**摘要**5G通信、雷达和太赫兹（THz）技术的快速发展对具有高吸收效率和优异稳定性的电磁（EM）波吸收材料产生了迫切需求。MXenes凭借出色的导电性和可调的介电性能受到了广泛关注。然而，传统MXenes仅限于单元素或双元素过渡金属组成，限制了其功能多样性。在此，我们报道了两类四元高熵MXenes（TiVCrMoC3Tx和TiVNbMoC3Tx）及其相应的MAX相前驱体。通过酸蚀刻与插层剥离相结合的方法，成功合成了单层高熵MXene纳米片，并系统研究了其在GHz-THz波段的电磁吸收性能。理论计算结合太赫兹光谱揭示，战略性的Cr/Nb合金化选择性地重构了费米能级处的电子态，实现了可调的电磁吸收特性。值得注意的是，TiVCrMoC3Tx在1.50 mm厚度下实现了-60.2 dB的优异反射损失（RL），有效吸收带宽（EAB）为4.00 GHz，这得益于增强的介电损耗；而TiVNbMoC3Tx在2.50 mm厚度下RL为-44.26 dB，在2.00 mm厚度下EAB为5.61 GHz。两种材料均表现出近理想的THz波段吸收和低反射率。本研究不仅拓展了高熵材料在电磁吸收领域的前沿，也为电磁屏蔽、干扰抑制和隐身应用建立了基本原理。**引言**5G及后续通信技术的快速发展对电磁（EM）吸收材料提出了日益严格的性能要求[1], [2], [3], [4]。这些材料现在被期望在宽带兼容性[5], [6]、衰减强度[7]和环境耐久性[8], [9], [10]方面同时取得突破，而非仅仅改善单一参数。传统材料体系在满足这些多维需求方面已显示出局限性，推动材料科学朝着探索下一代吸收体的方向发展，作为解决当前瓶颈的关键方案。其中，高熵材料凭借其独特的高熵效应[11], [12]、多元素组成[13], [14]和优异的物理化学性能[15], [16]，已成为一个充满前景的研究前沿。高熵材料的概念起源于其合金领域，这一理论框架最早由Yeh等人于2004年提出[17]。传统金属合金通常由一种或两种主要元素组成，其性能主要由这些主要组分之间的相互作用决定。相比之下，高熵合金打破了金属材料传统的设计范式，将五种或以上的金属元素通常以近等原子比结合成单一固溶体[18], [19]。这种成分平衡最大限度地减少了任何单一元素的主导地位，并诱发了构型熵效应，从而增强了结构稳定性[20]。Yang等人[21]率先将高熵概念引入微波吸收材料领域，通过引入机械合金化的FeCoNiCrAl合金粉末作为吸收体。在实际应用中，电磁波通常可根据频率分为多个子频段。具体而言，吉赫兹（GHz）范围的电磁波被广泛应用于无线通信[22]、雷达[23]、卫星通信[24]和移动设备[25]以及Wi-Fi技术[26]，涵盖了日常生活中大多数电子产品和通信系统。相比之下，位于微波和红外频率之间的太赫兹（THz）波段具有独特的优势，包括深层穿透能力和增强的空间分辨率。近年来，各种THz吸收材料不断涌现，包括石墨烯、碳纳米管、金属纳米粒子和二维（2D）过渡金属硫化物[27], [28], [29], [30]。然而，这些材料在实际部署中仍面临重大挑战，如吸收效率低、带宽响应有限、生产成本高和稳定性差。因此，它们往往无法满足高效THz吸收材料的严格性能要求。高熵MXenes（HE-MXenes）是高熵家族中二维材料的一个新亚类，代表了更广泛的MXene家族的一个新兴分支。MXenes通常由数个原子层组成，可以用通式Mn+1XnTx（n = 1, 2, 3或4）表示，其中M代表过渡金属元素，X代表碳和/或氮，T指表面终态如-O、-OH或-F[31], [32], [33], [34], [35], [36]。目前，MXenes主要通过选择性蚀刻MAX相前驱体来合成，其中Al层被去除以获得层状结构。与受限于单金属组成的传统MXenes不同，HE-MXenes通过高熵效应将不同的过渡金属结合形成多元素固溶体。这种复杂的合金化创造了协同相互作用，在极端条件下抑制局部失效，同时大幅提高了材料的耐久性和稳定性[37], [38], [39]。在本研究中，通过酸蚀刻和插层方法合成了单层HE-MXenes（TiVCrMoC3Tx和TiVNbMoC3Tx）纳米片。电磁性能测试表明，TiVCrMoC3Tx提供了最优RL（1.50 mm处为-60.2 dB），而TiVNbMoC3Tx则提供更宽的EAB（2.00 mm处为5.61 GHz），两种材料的THz波段吸收率均超过93%。其高熵组成产生的平衡介电-导电相互作用确保了极低的波反射率（< 6.5%）和最大的能量耗散。因此，这两种材料都具有高吸收效率和低反射率特性，表明它们具有强大的吸收和耗散入射电磁波的能力，而非促进其反射。这种协同行为在最小化电磁能量损失的同时提高能量转换的整体效率方面起着至关重要的作用。凭借其出色的导电性和定制的表面化学性能，这些HE-MXenes展现出卓越的电磁吸收性能，对推进基础理论研究和实际应用领域具有重要意义。**材料与方法**2.1 材料和化学试剂所有实验过程中涉及的原材料和试剂均为分析纯。所用材料包括Ti粉（-325目）、V粉（-325目）、Mo粉（-250目）、Nb粉（-325目）、Cr粉（-325目）、Al粉（-325目）、碳（煅烧焦，-325目）、氢氟酸（HF，48 wt.%水溶液）和四甲基氢氧化铵（TMAOH，25 wt.%水溶液）。所有这些材料和试剂均购自阿达马斯贝塔公司，并使用其原始状态。2.2 TiVCrMoAlC3和TiVNbMoAlC3前驱体的合成（原文内容缺失）**结果与讨论**图1a展示了单层HE-MXenes的合成过程。前驱体HE-MAX在氢氟酸中选择性蚀刻以去除铝层，成功转化为具有特征手风琴状形态的多层HE-MXenes。图1b和c展示了MAX相和相应HE-MXenes的XRD图谱，其中蚀刻过程中Al层的去除导致(002)衍射峰向低角度明显偏移，表明层间距显著增加。**结论**总之，本研究采用常规酸蚀刻和插层方法合成了单层HE-MXenes（TiVCrMoC3Tx和TiVNbMoC3Tx）纳米片，并系统分析了其在GHz和THz波段的电磁吸收性能。结果表明，单层TiVCrMoC3Tx在匹配厚度1.50 mm处实现了最小RLmin值为-60.2 dB，EAB为4.00 GHz；而单层TiVNbMoC3Tx在2.00 mm厚度下RL为-44.26 dB，EAB为5.61 GHz。两种HE-MXenes均表现出优异的电磁吸收性能。**CRediT作者贡献声明**Yu Wang：撰写——初稿。Wenxuan Wang：形式分析。Baoguo Zhang：撰写——审阅与编辑，资金获取。Yaru Qiu：撰写——审阅与编辑，概念化。Yaqian Zhang：软件。Lin Chu：方法学。Mo Chen：方法学。Dong Liu：撰写——审阅与编辑，项目管理。Dejun Liu：项目管理，调查研究。Di Lan：形式分析。**利益冲突声明**? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。**致谢**本研究得到了国家自然科学基金（12104236）、河南省高等学校重点科研项目（26B350010）、北华医药科技大学生物医学与药学学科省级重点学科项目（ZDXKXM008）、山东省自然科学基金（ZR2024QB326、ZR2023QE055）、山东省青年科技创新支持计划等的资助。