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【期刊】物理化学学报丨南京理工大学陈哲生教授课题组:尺寸工程调控SnS₂/碳异质结,实现高效电磁波吸收

2026-07-24 22:27:17

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第一作者：潘岳蕾

通讯作者：陈哲生，张再兰

通讯单位：南京理工大学材料科学与工程学院，南京理工大学物理学院

主要亮点

本文提出了一种全新的“维度工程”策略，通过将二维SnS₂纳米花分别与零维（0D）碳球、一维（1D）碳纤维和三维（3D）碳骨架复合，研究了碳材料几何维度对电磁波吸收性能的影响。研究发现，构建3D互联网络结构的SnS₂@CMF复合材料能实现阻抗匹配与介电损耗的协同优化，在1.7 mm超薄厚度下实现了-55.45 dB的强吸收，有效吸收带宽达到5.68 GHz。

研究背景：意义、现状

随着5G通信技术的普及，电磁辐射污染日益严重，开发轻质、超薄、强吸收的电磁波吸收材料成为研究热点。硫化锡（SnS₂）作为典型的半导体，虽具有丰富的电学特性，但因其单一的损耗机制和较差的阻抗匹配，限制了其实际应用。虽然已有研究引入碳材料来改善性能，但碳材料的几何维度（0D, 1D, 3D）如何与SnS₂结合并精确调控内部导电网络、界面极化及宏观阻抗匹配，仍缺乏系统的对比研究。本工作通过“维度工程”这一调控策略，揭示了从点接触、线接触到面接触的演变规律，为高性能电磁波吸收材料的结构设计提供了重要理论依据。

核心内容

维度调控：构建空间架构

通过溶剂热原位生长法，成功制备了三种不同维度的复合材料，精确调控了SnS₂与碳基底的接触模式。0D SnS₂@CS利用碳球的高曲率特性，构建点对点接触，主要通过表面缺陷诱导偶极极化，但导电网络构建受限。1D SnS₂@CFs形成紧密的核壳结构，利用碳纤维的线性特征实现轴向电荷传输。3D SnS₂@CMF实现了SnS₂与三维互联碳骨架的复合，构建了宏观连续的导电网络。

图1 . SEM 图(a1–a2) SnS₂, (b1–b2) SnS₂@CS, (c1–c2) SnS₂@CFs, (d1–d2) SnS₂@CM。元素扫描图 (a3) SnS₂, (b3) SnS₂@CS, (c3) SnS₂@CFs, (d3) SnS₂@CMF。HRTEM 图 (e–g) SnS₂@CMF, (h) 选区电子衍射图SnS₂@CMF。

1. 电磁性能优化：实现阻抗匹配与梯度吸收

通过电磁参数测试，揭示了维度对性能的决定性影响。研究发现，CMF的分级孔隙结构引入了大量孔隙，基于有效介质理论，这种结构有效地降低了材料的复介电常数，创造了理想的阻抗梯度，确保电磁波“进得去、留得住”。3D架构使SnS₂@CMF在仅1.7 mm的超薄厚度下，达到了-55.45 dB的超强反射损耗，且在2.0 mm厚度下有效吸收带宽高达5.68 GHz，实现了轻量化与高效吸收的平衡。

图2 (a1–d2) 纯 SnS₂, SnS₂@CS, SnS₂@CFs, and SnS₂@CMF 的3D和2D RL值。所有样品的 (e) 最小RL值与厚度和 (f) 最大EAB值与厚度。 (g) 与其他文献报道Sn基吸波材料性能对比。(h–k) 四个样品的阻抗值与频率厚度的关系图。

2. 物理机制：微观响应与DFT理论验证

为深究其损耗本质，研究团队结合多尺度表征与第一性原理计算。通过Cole-Cole图、λ/4四分之一波长模型分析，证明了SnS₂@CMF优异的性能源于“传导损耗-界面极化-多重散射”三位一体的协同损耗体系。DFT计算发现，SnS₂与碳框架存在明显的功函数差，导致电子自发从SnS₂迁移至碳骨架，形成强大的内建电场。这一电场不仅加速了界面处的电荷分离，更显著增强了在高频交变场下的介电弛豫过程。0D点接触到3D连续网络，电子传输能力的提升是增强电导损耗的关键，而3D结构提供的导电网络是实现高性能的核心驱动力。

图3 四个样品频率依赖的电磁参数 (a) 介电实部 (b) 介电虚部 (c) 介电正切值 (d) 磁导率实部 (e) 磁导率虚部，(f) 磁导率正切值。(g) 衰减常数 (h) C₀值。 (i)阻抗匹配|Z_in/Z₀|。(j) SnS₂@CS, SnS₂@CFs 和 SnS₂@CMF 的电导率值。(k) SnS₂/CMF 界面处的电荷转移, (l) SnS₂@CMF 的Band值。

图4 . (a–d) 纯SnS₂, SnS₂@CS, SnS₂@CFs 和SnS₂@CMF 的Cole-Cole 曲线。 (e–h) 四个样品的λ/4四分之一波长曲线。

结论与展望

本研究通过尺寸工程策略，系统揭示了碳材料维度对电磁参数的调控机制，证实SnS₂@CMF复合材料的优越的吸波性能源自其独特的设计：首先是3D碳骨架调控有效介电常数，突破高导电材料反射严重的物理限制。其次是高密度SnS₂/C异质结界面构建强内建电场，实现电荷迁移与偶极弛豫的协同效应。该材料实现了超薄、强吸收、宽带宽的完美耦合，吸收性能优于多数同类锡基吸波材料。基于3D分级孔隙结构，该体系在红外隐身与电磁兼容一体化设计方面潜力显著。

原文链接

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.1016/j.actphy.2026.100316

通讯作者

陈哲生，南京理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国家海外高层次青年人才。2016年获法国索邦大学博士学位，2016至2022年先后于法国巴黎综合理工大学、法国Soleil同步辐射光源及法国国家科研中心（CNRS）从事博士后与研究员工作。长期聚焦低维材料界面物理研究，通过角分辨光电子能谱、电磁波吸收与光电转换性能研究，系统揭示界面耦合诱导的能带杂化、巨电荷转移及对称性破缺等关键界面物理效应。累计获批30余项国内外大科学装置课题，以第一或通讯作者身份在PNAS、Nature Communications、ACS Nano、Advanced Functional Materials等期刊发表论文30余篇。