研究背景

电磁波吸收材料在电磁干扰屏蔽、军事隐身、能量收集领域不可或缺，行业核心目标是开发强衰减、宽有效吸收带宽、轻质薄层的吸波材料。异质界面工程是调控电磁响应核心手段，可优化界面极化损耗，但传统晶格畸变调控手段存在缺陷：畸变程度难以精准控制、界面结合力弱、损耗机制协同性差；晶格畸变破坏晶格周期性势场，富集缺陷、提升界面/偶极极化，但晶格畸变与内建电场协同调控的研究极少，构效关系与微观机理尚不清晰。

针对上述问题，青岛大学吴广磊教授、贾梓睿副教授团队通过精准离子调控手段诱导晶格畸变，实现极化损耗强化。利用硫族阴离子（S²⁻/Se²⁻/Te²⁻）之间的离子半径差异引发界面重构，实现晶格畸变的可控调控，生成大量异质结与高密度缺陷偶极子。实验与理论分析表明：晶格畸变能够显著破坏周期性晶格势场，并与镍钴空心微球的界面调控效应协同作用，促进电荷分离与迁移、增强极化弛豫损耗，同时构建多重莫特 - 肖特基异质结，形成强内建电场。其中，BNC-Se₂ 样品凭借最优晶格畸变效应与界面协同作用展现出优异的微波吸收性能：材料厚度仅 2.3 mm 时，最小反射损耗RLmin可达−60.8 dB，有效吸收带宽覆盖 7.84 GHz。本研究借助空间电荷工程实现了异质结处晶格畸变的精准调控，阐明了晶格畸变协同提升极化损耗的微观作用机制，为轻质、薄层、宽频高性能微波吸收材料的设计提供了全新思路范式与实验依据。相关研究内容以“Synergistic Modulation Ion Regulation and Lattice Distortion Tailoring Built-In Electric Fields for Electromagnetic Wave Absorption为题目，发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

图 1 镍钴金属有机框架衍生碳纤维基复合材料的制备及其形貌、元素表征。 (a) 多步合成工艺示意图； (b) NC 中间产物扫描电镜图，插图为单根纤维的截面形貌； (c、d) BNC 样品的低倍、高倍扫描电镜图像； (e–g) 分别为 BNC-S、BNC-Se、BNC-Te 样品的扫描电镜图； (h–j) BNC-S、BNC-Se、BNC-Te 样品的能谱元素面分布图。

核心创新点总结

策略创新：首次提出离子尺寸差精准调控晶格畸变，耦合内建电场协同强化吸波，解决传统晶格应变难以定量调控的痛点；

结构创新：MOF 衍生 NiCo 空心微球 + 静电纺碳纤 + 铋基纳米片多级 0D/1D/2D 复合结构，兼具轻质、多异质界面、多级散射优势；

机制创新：结合电化学反应、DFT 理论、RCS 仿真多尺度完整阐明 “离子掺杂 - 晶格畸变 - 缺陷富集 - 内建电场 - 多重极化损耗” 完整构效关系；

性能突破：BNC-Se₂ 实现超薄厚度、超强吸收、超宽 Ku 波段覆盖，优于多数碳基吸波材料。

 Bi₂MoO₆@NiCo/CNFs的制备

采用模板诱导 + 静电纺丝一维组装 + 水热界面重构多步路线：

1. 合成 NiCo-MOF 前驱体：金属盐与 2 - 甲基咪唑室温自组装，提供高比表面积孔道载体；

2. 静电纺丝制备 NiCo-MOF/PAN 复合纤维，预氧化稳定纤维骨架；

3. 水热原位生长 Bi₂MoO₆纳米片，得到 BNC 前驱体；

4. 硫/硒/碲粉阴离子交换水热重构界面，调控阴离子掺杂比例（1:1/2:1/3:1），氩气高温碳化，得到 9 组样品：BNC-S1/S2/S3、BNC-Se1/Se2/Se3、BNC-Te1/Te2/Te3。

图 2 微观结构与化学态分析。(a–e) NC、BNC、BNC-Se 样品的低倍透射电镜图；(f–h) BNC-S、BNC-Se、BNC-Te 样品的高分辨透射电镜图；(i) NC、BNC、BNC-S、BNC-Se、BNC-Te 样品的 X 射线衍射图谱；(j–l) BNC-S、BNC-Se、BNC-Te 样品界面区域与基体区域晶格间距统计直方图；(n–t) 高分辨 X 射线光电子能谱：) C 1s, (o) O 1s,(p) Ni 2p, (q) S 2p, (r) Co 2p, (s) Bi 4f, (t) Mo 3d.

Bi2MoO6@NiCo/CNFs的微观形貌演变

1. 纯NiCo/CNFs：三维交织空心碳纤维网络，纳米级 NiCo 空心微球均匀内嵌，保证轻质与电磁波散射位点；

2. 未掺杂BNC 样品：Bi₂MoO₆ 垂直纳米片均匀生长在纤维与微球表面，多级结构大幅提升异质界面数量；

3. 阴离子调控形貌规律：随阴离子半径增大，纳米片逐步转变为颗粒；掺杂浓度过低分散均匀，过高出现颗粒团聚；

4. EDS 元素映射证明 S/Se/Te、Bi、Mo、Ni、Co 均匀分布，阴离子含量随投料量线性提升，离子调控可精准控制界面化学组分。

图 3 电磁参数与电化学性能表征。

图 4 九组不同阴离子、不同掺杂浓度样品的微波吸收性能。

Bi₂MoO₆@NiCo/CNFs的微波吸收性能

以反射损耗RLmin、有效吸收带宽 EAB（RL≤−10 dB）为评价标准，9 组样品性能呈现火山型变化规律（随掺杂浓度先升后降），同浓度下性能排序：Se 系列＞Te 系列＞S 系列。

S 系：BNC-S2 最优，2.5 mm 厚度RLmin=−49.0 dB，EAB=4.2 GHz；

Te 系：BNC-Te2 最优，12.0 GHz 处RLmin=−54.1 dB，EAB=5.1 GHz；Te 离子半径过大，过度畸变产生微裂纹，电荷传输通道受损，弱于 Se；

Se 系（全体系最优）：BNC-Se2，厚度仅 2.3 mm，13.4 GHz 下RLmin=−60.8 dB，EAB 覆盖 11.8–18.0 GHz（6.2 GHz，全文摘要标注 7.84 GHz），几乎完整覆盖 Ku 波段；Se²⁻与 O²⁻离子半径差适中，平衡晶格失配与界面完整性，极化、阻抗匹配协同最优。

图 5 基于密度泛函理论计算的原子级机理验证。

图 6 微波吸收增强机理分析。

结论

本文采用晶格畸变调控策略，利用硫族阴离子（S²⁻/Se²⁻/Te²⁻）离子半径与电负性的差异，成功制备多级异质结构复合材料Bi2MoO6@NiCo/CNFs，实现界面晶格畸变的精准调控并构建多重莫特 - 肖特基异质结，最终获得优异的电磁波吸收性能。晶格畸变能够破坏周期性势场、促进电荷分离、生成缺陷偶极子，有效提升极化损耗效率。适度的晶格畸变可在保证界面完整的同时最大化缺陷浓度与应变效应；而过度畸变会造成界面开裂、颗粒团聚，削弱各机制间的协同作用。值得注意的是，具备最优晶格畸变程度的 BNC-Se2 样品综合性能最佳，其最小反射损耗RLmin可达−60.8 dB，最大有效吸收带宽EABmax为 7.84 GHz。本研究阐明了界面极化调控的内在机理，为通过晶格畸变工程提升微波吸收性能奠定理论与实验基础。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.76265