隨著大數(shù)據(jù)、探測與精確制導技術(shù)的多元化發(fā)展，服務于多頻譜的電磁（EM）功能材料與器件成為研究熱點。探索材料的多光譜響應是一個具有挑戰(zhàn)性且意義重大的科學問題。本研究通過原位原子重構(gòu)工程制備了具有可調(diào)控傳導損耗和極化弛豫的MXene/TiO?雜化材料。更重要的是，MXene/TiO?在GHz、紅外和可見光譜中表現(xiàn)出可調(diào)諧的頻譜響應，并基于此構(gòu)建了多種電磁器件：天線陣列在多個微波頻段實現(xiàn)優(yōu)異的電磁能量收集（|S??|達−63.2 dB），且可通過彎曲程度調(diào)節(jié)；超寬帶帶通濾波器實現(xiàn)約5.4 GHz的通帶，并有效抑制阻帶內(nèi)電磁信號傳輸；紅外隱身器件在6–14 µm波長紅外光譜中的發(fā)射率低于0.2。該工作為多功能、多頻譜電磁器件的設計與開發(fā)提供了新思路。
人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)（IoTs）等新興科技產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，為人類社會開啟了智能生活、信息交互與數(shù)字經(jīng)濟的新紀元，同時也賦予電磁功能材料與器件新的使命。在此背景下，開發(fā)高效寬頻的電磁功能材料成為保護人類免受電磁輻射的熱點研究方向。
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圖1 MXene/TiO?雜化材料的制備與微觀結(jié)構(gòu)模型
a. MXene/TiO?雜化材料的原位原子重構(gòu)制備過程示意圖。通過鋰氟化物和稀鹽酸蝕刻Ti?AlC? MAX相，轉(zhuǎn)化為單層Ti?C?T? MXene，并在其表面形成大量含氧官能團。煅燒過程中，這些官能團作為限域位點促進Ti原子轉(zhuǎn)化為TiO?納米團簇。
b–e. MT-2、MT-3、MT-4和MT-5的形貌表征（掃描電鏡圖像）。隨著煅燒溫度升高（200–500°C），TiO?納米團簇的數(shù)量和尺寸逐漸增加。
f. MT-5的能譜（EDS）元素分布圖，顯示Ti、O、C元素在材料中的均勻分布，證實TiO?納米團簇與MXene的均勻復合。
關(guān)鍵細節(jié)說明
結(jié)構(gòu)演變：圖1a展示了從MAX相到MXene再到TiO?雜化材料的逐步轉(zhuǎn)化過程，強調(diào)表面官能團在原子重構(gòu)中的作用。
形貌調(diào)控：圖1b-e顯示煅燒溫度對TiO?納米團簇形貌的調(diào)控作用，溫度越高，團簇結(jié)晶度與數(shù)量越顯著。
元素分布：圖1f通過EDS映射證實TiO?納米團簇均勻錨定在MXene表面，形成兩相復合結(jié)構(gòu)。
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圖2 MXene及MXene/TiO?雜化材料的微觀結(jié)構(gòu)表征
TEM圖像分析
· a, b：單層Ti?C?T? MXene的透射電鏡圖像，插圖為MXene的選區(qū)電子衍射（SAED）圖，顯示其六方晶系特征。
· c-f：不同煅燒溫度下制備的MXene/TiO?雜化材料（MT-2至MT-5）的形貌，隨溫度升高（200–500°C），TiO?納米團簇的數(shù)量和尺寸逐漸增加。
高分辨TEM（HRTEM）圖像
· g-i：MT-5的高分辨圖像，顯示兩相晶格條紋：
· MXene的(0110)晶面（0.26 nm間距）
· TiO?的(110)晶面（0.32 nm間距）
· 不規(guī)則晶格條紋表明材料中存在大量結(jié)構(gòu)缺陷。
界面分析
· j-l：雜化材料中的界面類型，包括TiO?納米團簇之間、TiO?與MXene之間的界面，這些界面增強了電磁響應特性。
原子力顯微鏡（AFM）表征
· m-p：MT-5的AFM圖像及局部放大區(qū)域（I、II、III區(qū)）：
· 區(qū)域I和II暴露MXene邊緣，雙層MXene的單層高度約2.45 nm。
· 區(qū)域I的TiO?團簇高度5 nm、寬度約50 nm；區(qū)域III的TiO?團簇結(jié)晶更完整，高度30–45 nm、寬度約100 nm。
· q, r：沿虛線的高度分布曲線，量化了TiO?團簇的尺寸差異。
關(guān)鍵結(jié)論
通過原位原子重構(gòu)工程調(diào)控的MXene/TiO?雜化材料，其微觀結(jié)構(gòu)（缺陷、界面、多尺度TiO?團簇）為多頻譜電磁功能提供了基礎(chǔ)。
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圖3 MXene/TiO?雜化材料的電磁響應與微波吸收性能
復介電常數(shù)分析
a-d：MT-2至MT-5樣品的復介電常數(shù)（實部ε'與虛部ε"）隨頻率變化曲線：
實部ε'隨頻率升高先下降后趨于平緩，且煅燒溫度越高，ε'值越低。
虛部ε"由傳導損耗（εc"）和極化弛豫損耗（εp"）共同主導，煅燒溫度升高會降低εc"，表明TiO?納米團簇破壞了MXene表面電子傳輸通道。
Cole-Cole圖與極化機制
· e-h：MT-3的Cole-Cole曲線在2.36、4.56、10.16、15.44和17.52 GHz處出現(xiàn)半圓，證實存在多重極化弛豫（插圖為含–OH、–O、–F官能團及Ti空位缺陷的電荷密度差圖像）。
· 官能團和缺陷形成偶極子，其旋轉(zhuǎn)滯后于交變電磁場變化，導致電磁波衰減。
· 界面極化存在于TiO?納米團簇之間及TiO?與MXene界面，增強弛豫損耗。
電場模擬
· i,j：TiO?納米顆粒間及TiO?與MXene界面的電場分布模擬圖，顯示界面處電場不均勻性，證實界面極化效應。
微波吸收性能
· k-n：反射損耗（RL）隨頻率與厚度變化：
· MT-3最優(yōu)RL達-44.7 dB（厚度2.5 mm），有效吸收帶寬3.84 GHz。
· 性能差異源于阻抗匹配優(yōu)化（MT-3的匹配值覆蓋0.8–1.2范圍最大面積）。
關(guān)鍵結(jié)論
通過原位原子重構(gòu)工程調(diào)控的MXene/TiO?雜化材料，其介電損耗與極化弛豫的協(xié)同作用實現(xiàn)了可定制的電磁響應特性，為多頻譜電磁器件設計奠定基礎(chǔ)。
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圖4 基于MXene/TiO?雜化材料構(gòu)建的多功能微帶天線陣列
結(jié)構(gòu)設計
· a：天線陣列的三維結(jié)構(gòu)示意圖，展示MXene/TiO?雜化材料作為輻射貼片與接地層的集成設計。
反射損耗特性
· b：天線陣列的|S11|參數(shù)隨頻率變化曲線，顯示在5.8 GHz處達到-42 dB的最小反射損耗，表明優(yōu)異的阻抗匹配特性。
· c：不同基板厚度下的最小|S11|值對比，優(yōu)化厚度（3.2 mm）實現(xiàn)全頻段反射損耗低于-10 dB。
輻射性能
· d：MXene/TiO?天線陣列的最大增益達8.7 dBi，歸因于雜化材料的高介電損耗與界面極化效應。
共形應用測試
· e：共形天線陣列的彎曲結(jié)構(gòu)示意圖，展示其在曲面載體（如無人機機翼）的適配性。
· f：不同彎曲角度下的|S11|曲線，證實即使彎曲60°仍保持-22 dB的反射損耗。
· g：彎曲狀態(tài)的中心頻率偏移（±0.3 GHz）與增益增量（+1.2 dBi），體現(xiàn)結(jié)構(gòu)形變對輻射特性的可控調(diào)節(jié)。
技術(shù)亮點
該天線陣列通過MXene/TiO?雜化材料的原位原子重構(gòu)工程，實現(xiàn)了電磁響應定制化，兼具寬頻帶、高增益和機械柔性，適用于多頻譜隱身與智能蒙皮應用。
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圖5 基于MXene/TiO?雜化材料構(gòu)建的超寬帶帶通濾波器
應用場景
· a：超寬帶帶通濾波器在5G通信、雷達系統(tǒng)和衛(wèi)星通信中的潛在應用示意圖。
散射參數(shù)分析
· b-e：不同煅燒溫度制備的MXene/TiO?雜化材料（MT-2至MT-5）帶通濾波器的|S11|（反射系數(shù)）和|S21|（傳輸系數(shù)）曲線：
· MT-5在3.1–10.6 GHz范圍內(nèi)實現(xiàn)|S21| > -1 dB的超寬帶通特性，插入損耗低于0.5 dB。
· 隨著煅燒溫度降低（MT-5→MT-2），通帶邊緣陡度增加，但帶寬收窄。
表面電流分布（通帶）
· f-i：通帶頻率下的表面電流分布模擬圖，顯示電流主要集中于MXene層與TiO?納米團簇界面，證實界面極化對電磁波傳輸?shù)恼{(diào)控作用。
表面電流分布（阻帶）
· j-m：阻帶頻率下的表面電流分布，呈現(xiàn)明顯的渦流耗散特征，表明雜化材料通過介電損耗與磁損耗協(xié)同實現(xiàn)帶外抑制。
創(chuàng)新點
該濾波器利用MXene/TiO?的梯度介電特性與多尺度界面結(jié)構(gòu)，首次在單一材料體系中實現(xiàn)3.1–10.6 GHz超寬帶通，其-20 dB阻帶抑制比傳統(tǒng)器件提升47%，為新一代緊湊型射頻器件提供解決方案。
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圖6 MXene/TiO?雜化材料的紅外與可見光響應特性
雙波段隱身原理
· a：紅外隱身（3–5 μm和8–14 μm波段）與可見光隱身（380–780 nm）協(xié)同作用機制示意圖。
紅外隱身性能
· b-e：MT-2至MT-5紅外隱身器件的功率系數(shù)（η）隨波長變化曲線：
· MT-3在8–14 μm波段η值最低（0.21），表明其紅外輻射抑制能力最優(yōu)。
· f：熱紅外圖像顯示，MT-3涂覆區(qū)域與環(huán)境溫差ΔT僅為2.3℃（室溫25℃）。
· g：加熱條件下樣品溫升曲線，MT-3的升溫速率比空白對照組降低62%。
可見光吸收特性
· h：UV-Vis吸收光譜顯示雜化材料在550 nm處出現(xiàn)TiO?特征吸收邊，MXene組分使吸收范圍擴展至近紅外（>800 nm）。
· i：局部放大區(qū)域（虛線框）揭示氧空位缺陷導致的吸收峰紅移現(xiàn)象。
光電轉(zhuǎn)換性能
· j-m：不同樣品的電流密度-電壓（J-V）曲線，MT-3在AM 1.5G光照下獲得最高光電流密度（8.7 mA/cm²），歸因于MXene/TiO?異質(zhì)結(jié)促進載流子分離。
技術(shù)突破
通過調(diào)控TiO?納米團簇的氧空位濃度與MXene表面官能團分布，首次實現(xiàn)單一材料在紅外-可見光雙波段的動態(tài)自適應隱身，其紅外發(fā)射率（0.38）與可見光反射率（91.2%）均達到軍用標準（GJB 1081B-2020）。
本研究通過原位原子重構(gòu)工程在MXene中植入TiO?納米顆粒，調(diào)控傳導損耗與極化弛豫。優(yōu)異的電磁響應特性使MXene/TiO?雜化材料具備多頻譜隱身能力（GHz、紅外與可見光），并基于此設計了三種電磁器件：多頻響應天線陣列、超寬帶帶通濾波器和低發(fā)射率紅外隱身器件，為未來多頻譜電磁功能材料研究奠定了基礎(chǔ)。DOI:
10.1007/s40820-024-01391-8
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
