论文题目：Dual built-in electric field engineering in heterostructure nickel-cobalt bimetallic composites for boosted electromagnetic energy dissipation

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100344

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通过两步法构建了具有双内建电场的异质结构Ni-Co双金属纳米复合材料。叠加的双内建电场驱动电荷泵动力学，实现定向电荷转移/跃迁，从而增强界面极化并缩短弛豫时间。该磁电复合材料在2.8毫米厚度下实现6.4 GHz的有效吸收带宽和-51.5 dB的强损耗，确立了双内建电场策略在高性能电磁波吸收体领域的应用基础。

一、文章摘要

通过空间电荷调控构建内建电场，是提升电磁波吸收材料损耗能力的有效策略。然而，单一内建电场难以在宽频范围内兼顾良好的阻抗匹配与强衰减特性，导致有效吸收带宽通常较窄。为解决该问题，本研究采用非对称梯度电场结构与多极化中心协同的策略，构建了双内建电场系统，以实现高效宽频电磁吸收。具体而言，研究人员将镍钴基纳米材料（NiCoO₂与 Ni_0.5Co_0.5）与氮掺杂纳米多孔碳（NCP）复合，成功制备出异质结构的镍钴双金属纳米复合材料（Ni_0.5Co_0.5@NiCoO₂/NCP）。该复合体系形成两类异质结，NCP- NiCoO₂半导体异质结和NiCoO₂-Ni_0.5Co_0.5莫特-肖特基异质结，从而建立起协同作用的双内建电场。该电场结构驱动电荷发生定向迁移与跃迁，强化界面极化过程，并显著降低弛豫时间。理论计算进一步表明，该体系能够同时实现电导率调控、极化弛豫增强、电荷分离促进及偶极子分布优化。在低频区域，半导体异质结主导的介电损耗起主要作用；而在高频区域，莫特-肖特基异质结带来的导电损耗则占优势。因此Ni_0.5Co_0.5@ NiCoO₂/NCP复合材料表现出卓越的微波吸收性能，在2.8 mm厚度下，其最小反射损耗为-51.5 dB，有效吸收带宽达6.4 GHz。该研究提出的双内建电场策略为发展高性能电磁波吸收材料提供了新思路与实验依据。

二、研究背景

随着5G/6G通信系统和隐身技术的飞速发展，对高性能电磁波吸收材料提出了更高要求，亟需具备轻量化、宽频带与多尺度能量耗散特性的新型吸收体系。近年来，研究发现通过在内建电场调控下设计异质结构，可借助界面协同效应显著优化电磁能量耗散，提升吸收性能。多组分异质结构的引入进一步增强了界面极化、偶极弛豫与导电损耗等多种机制。然而，当前异质界面处内建电场的强度往往不足，限制了电荷迁移速率，其与能量耗散之间的协同机制仍待深入挖掘。

通过精准调控合成条件，可利用相邻物相的功函数差异，原位构建异质结构并形成内建电场。然而单一内建电场难以兼顾阻抗匹配与宽谱衰减，制约有效吸收带宽。半导体与莫特-肖特基结的电场矢量叠加可产生“电荷泵”效应，加速振荡场下的电荷分离弛豫，空间电荷区的载流子浓度梯度还能优化阻抗匹。这种双内建电场设计可增强电子转移，提升极化与导电损耗，显著改善吸收性能。镍钴双金属物相（如 NiCoO₂、NiCo合金）因介电性能可调（通过Ni²⁺/Ni³⁺、Co²⁺/Co³⁺）且具本征磁损耗，是潜在的电磁波吸收材料。但传统镍钴基材料常存在损耗路径有限、阻抗匹配差的问题，尤其在Ku高频段。

本研究提出热解策略，构建内建电场增强的镍钴异质结构以实现宽频吸收。通过物相调控，在NiCoO₂/NCP与NiCoO₂/Ni_0.5Co_0.5界面形成可控强度的双内建电场，强化界面极化、导电损耗与磁共振。密度泛函理论计算证实，内建电场可降低异质界面电子传输势垒，加速能量转换。优化后的Ni_0.5Co_0.5@NiCoO₂/NCP材料，在3.4 mm厚度下反射损耗达-51.5 dB，2.8 mm厚度下有效吸收带宽为6.4 GHz（11.6-18.0 GHz，覆盖全Ku频段）。该研究揭示了内建电场介导的耗能机制，为热解驱动场工程设计先进异质结构吸收材料提供了实验基础。

三、创新点

（1）通过构建NCP-NiCoO₂半导体异质结与NiCoO_2-Ni_0.5Co_0.5莫特-肖特基异质结组成的双内建电场系统，实现了电场叠加效应，显著增强了界面极化和电荷分离效率，通过DFT计算揭示了其“电荷泵”动力学机制。

（2）采用热解温度调控物相组成的新策略，在600°C下成功制备出NiCoO₂与Ni_0.5Co_0.5合金的双相共存结构，构建了双异质结界面体系，协同优化了阻抗匹配与电磁衰减性能，在2.8 mm厚度下实现了6.4 GHz的超宽有效吸收带宽。

（3）通过电子全息与电磁仿真等手段，系统揭示了双内建电场增强的极化弛豫、磁耦合网络与多机制协同耗散机制，为高性能电磁波吸收材料的设计提供了理论依据与实验验证。

四、文章概述

本研究首先展示了Co-Ni双金属复合材料的合成路径。以氮掺杂纳米多孔碳为模板和碳骨架，其不仅优化了整体阻抗匹配，还为内建电场驱动下的电子跳跃提供了导电网络。通过简便的水热法，将Co-Ni碳酸盐氢氧化物前驱体均匀沉积于NCP表面。煅烧温度作为关键参数，精确调控材料的相变路径与功能特性，直接影响原子重排、结晶度及化学键合行为。

在不同温度（500 °C、600 °C与700 °C）下热处理后，前驱体成功转变为不同相组成的Ni-Co双金属碳复合材料，分别标记为CoNi/N/C-500、CoNi/N/C-600和CoNi/N/C-700。其中，CoNi/N/C-500中形成NiCoO₂/NCP半导体异质结，依赖单一内建电场实现电荷传输。CoNi/N/C-600中则构建出Ni_0.5Co_0.5、NiCoO₂与NCP之间的双异质结界面，形成双内建电场并诱发“电荷泵”效应。而CoNi/N/C-700中主要形成Ni_0.5Co_0.5/NCP莫特-肖特基异质结，同样仅建立单一内建电场。这些差异化的内建电场结构最终显著影响其电磁波吸收性能。

图 1 CoNi/N/C材料的设计与制备示意图。（a）三种吸收剂的合成过程示意图；（b）通过半导体异质结与莫特-肖特基异质结构建双内建电场的设计思路图。

通过扫描电镜、透射电镜、高分辨透射电镜和选区电子衍射等手段，本研究系统解析了CoNi/N/C-600复合材料的微观结构与其物理化学特性。结果表明，CoNi双金属纳米颗粒（粒径介于20–40 nm）均匀分布于介孔碳基质之中，呈现清晰的分层异质结构。HRTEM图像中可辨识出间距为0.20 nm和0.24 nm的晶格条纹，分别对应Ni_0.5Co_0.5合金的（211）晶面与NiCoO₂氧化物的（111）晶面，证实两相共存并形成明确的异质界面。X射线衍射与拉曼光谱进一步验证了材料的晶体结构及碳骨架中的缺陷状态，N₂吸附-脱附测试和磁滞回线分析则分别揭示了其多孔特性与磁性能的演变规律。这些微观结构特征共同构筑了该材料卓越的电磁波吸收性能的结构基础。

图 2 CoNi/N/C-600的形貌分析及CoNi/N/C 的理化性能分析。CoNi/N/C-600：（a、b）扫描电子显微镜图像；（c、d）透射电子显微镜图像；（e-g）高分辨透射电子显微镜图像；（h）选区电子衍射图像；（i-k）对应的异质界面示意图。CoNi/N/C-500/600/700：（l）X射线衍射图谱；（m）拉曼光谱；（n）氮气吸附/脱附曲线；（o）磁滞回线。

CoNi/N/C系列材料在电磁波吸收性能方面表现出显著差异，其中CoNi/N/C-600展现出尤为卓越的性能。在仅2.8 mm的匹配厚度下，该材料实现了最低反射损耗达 -51.5 dB，同时具备6.4 GHz的超宽有效吸收带宽，覆盖整个Ku波段，其综合性能显著优于以往报道的多数同类材料。三维反射损耗图谱及二维等高线图清晰表明，该样品在不同频率和厚度条件下均表现出强劲的宽频吸收特性。进一步分析显示，CoNi/N/C-600同时兼具优异的衰减能力与良好的阻抗匹配特性（Z_in/Z₀ ≈1），能够有效促进电磁波进入材料内部并实现高效耗散。科尔-科尔曲线进一步证实了其界面极化与电荷转移效率的显著提升。与近年相关研究相比，CoNi/N/C-600在宽频电磁波吸收方面的综合性能处于领先水平，展现出重要的实际应用潜力。

图 3 CoNi/N/C-500/600/700 的电磁波吸收性能。（a-c）计算得到的理论反射损耗值三维图；（d-f）理论反射损耗值等高线图；（g）电磁波吸收性能对比图；（h）衰减常数（α）；（i）阻抗匹配度（Z_in/Z₀）；（j）科尔-科尔圆弧图；（k-l）与近期相关文献报道铁/钴基吸波剂性能的电磁波吸收性能对比图。

通过结合理论计算与电子全息技术，本研究直观揭示了CoNi/N/C-600材料中协同构建的内建双电场与磁耦合机制。密度泛函理论计算表明，在NiCoO₂、Ni_0.5Co_0.5与碳基之间形成显著的双向“电荷泵”效应，电子从金属相和碳基体自发向氧化物侧迁移，进而形成空间电荷区与双内置电场，大幅增强了界面极化与电荷分离效率。电子全息图像进一步显示，高密度磁通线从颗粒内部发出，穿透外部碳层并与相邻磁性颗粒形成耦合，表明材料内部已建立起强磁耦合网络。这种电场与磁场协同作用的本征设计，为实现高效电磁能量耗散提供了关键机制。

图 4 CoNi/N/C-600 的密度泛函理论计算结果。（a）双内建电场模型；（b）Ni_0.5Co_0.5/NiCoO₂异质结的电荷密度图及对应差分电荷密度图；（c）NiCoO₂/NCP 异质结的电荷密度图及对应差分电荷密度图（黄色与青色分别代表富电子区与缺电子区）；（d-e）CoNi/N/C-600 的透射电子显微镜图像、电子全息图；（f）对应的磁通线图。

CoNi/N/C-600复合材料的电磁波耗散机制通过多组分与多尺度结构协同实现。该材料通过在Ni_0.5Co_0.5与NiCoO₂之间构建肖特基结，并在NiCoO₂与NCP之间构筑半导体异质结，形成双内建电场系统，显著增强了界面极化与电荷分离效率。在交变电磁场作用下，载流子沿内置电场方向发生定向迁移，诱发强烈的介电极化弛豫。此外，磁性组分（Ni_0.5Co_0.5和NiCoO₂）贡献自然共振与磁滞损耗，导电碳骨架则通过涡流效应将电磁能转化为热能。材料中丰富的多级孔道和异质界面进一步延长电磁波传播路径，通过多次反射与散射提升能量耗散效率。这种涵盖导电损耗、极化损耗与磁损耗的多机制协同作用，是实现宽频强吸收性能的关键。

图 5 CoNi/N/C-600 的电磁波吸收机制多重损耗机制包括：导电损耗、磁损耗（涡流共振与自然共振损耗）及极化损耗（界面极化与偶极子极化损耗）。

通过全波电磁仿真软件对涂覆CoNi/N/C系列材料的金属板进行了雷达散射截面分析。在平面波激励下（入射角θ），CoNi/N/C-600涂层的RCS值在–90°至90°角度范围内均保持最低，最小达到–36 dB m²，显著优于CoNi/N/C-500和700样品。其三维散射模式显示出更弱的电磁回波强度和更有限的散射空间分布。通过计算RCS减缩量，CoNi/N/C-600实现了13.11 dB m²的降低，表明该材料在实际雷达波隐身应用中具备优异的宽角域隐身性能与场景适应性。

图 6 CoNi/N/C-500/600/700 的雷达散射截面。（a）雷达散射截面仿真模型；（b）理想导电体；（c）三种样品的对比图；（d）CoNi/N/C-500 的三维仿真模型；（e）CoNi/N/C-600 的三维仿真模型；（f）CoNi/N/C-700 的三维仿真模型；（g）CoNi/N/C-500 的雷达散射截面仿真曲线；（h）CoNi/N/C-600 的雷达散射截面仿真曲线；（i）CoNi/N/C-700 的雷达散射截面仿真曲线；（j-k）雷达散射截面仿真对比曲线及雷达散射截面缩减值。

五、启示

本研究创新性地提出了基于双内建电场协同作用的异质结构设计策略，在镍钴双金属/氮掺杂碳复合材料中实现了高效电磁波能耗散。该材料在2.8 mm厚度下表现出卓越的吸波性能，最小反射损耗达 -51.5 dB，有效吸收带宽为6.4 GHz，覆盖整个Ku波段。DFT计算与电子全息分析从机理上揭示了双BIEF所驱动的电荷泵浦动力学与磁耦合效应，显著增强了界面极化与弛豫损耗。RCS仿真进一步表明，涂层样品在-90°至90°角度范围内雷达散射截面可低至 -36 dB m²，展现出优异的雷达隐身潜力。该研究不仅为高性能、宽频带、轻量化电磁波吸收材料的设计提供了新方向与理论支撑，也对新一代通信与隐身技术的发展具有重要的推动意义。

引用信息：Jin Liang, Siying Zhu, Dewei Chen, Yinjun Li, Dong Zhou, Nan Meng, Yaozu Liao, Hanxu Sun, Jie Kong, Dual built-in electric field engineering in heterostructure nickel-cobalt bimetallic composites for boosted electromagnetic energy dissipation, Adv. Powder Mater.4 (2025) 100344. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100344

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25000806