ACS AMI | 构建一维石墨烯纳米天线增强低频吸波性能

英文原题：Construction of Hollow Carbon Nanofibers with Graphene Nanorods as Nano-Antennas for Lower-Frequency Microwave Absorption

通讯作者：范晓孟，西北工业大学

作者：Minghang Li (李明航), Xinrui Song (宋忻睿) , Jimei Xue (薛继梅), Fang Ye (叶昉), Ling Yin (尹玲)，Laifei Cheng (成来飞)

背景介绍

随着第五代（5G）通信技术的快速发展，低频电磁波吸收材料备受关注。与高频区域不同，在低频区域内吸波材料损耗电磁波的的能力显著降低。因此，提高材料的损耗能力是实现低频电磁波强吸收的重要手段。一维碳材料因其可调节的电导率被认为是一种极具潜力的低频吸波材料，如碳纳米纤维（CNF）和碳纳米管（CNT）。其高长径比有利于形成电荷定向传输路径，进而提高一维碳结构对电磁波的损耗能力。同时，通过提高其石墨化程度，可以进一步增强一维碳结构的电导率，并提升其损耗能力。然而，吸收性能不仅与损耗能力相关，还与阻抗匹配条件有关，具有较高损耗能力的碳相通常阻抗匹配差，导致电磁波强反射。因此，需要进行合理的结构设计以解决这个问题。构建一维碳相作为纳米天线是在保证高损耗能力的条件下，提高阻抗匹配的的有效方法。高石墨化的一维碳纳米结构中电子运动受限，趋肤效应减弱，能够有效传输电磁波能量，因此可以发挥纳米天线的作用。

文章亮点

近日，西北工业大学范晓孟团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了构建一维石墨烯纳米天线增强材料低频吸波性能的研究。基于同轴静电纺丝工艺，在一维空心碳纳米纤维上原位生长石墨烯纳米棒作为增强低频吸波性能的纳米天线（图1）。在保证材料损耗能力提高的同时，优化了材料的阻抗匹配，显著增强了材料的低频吸波性能。

图1. 随着热处理时间增加，纳米纤维微结构演变示意图

该研究利用同轴静电纺丝工艺结合热处理制备了中空碳纳米纤维及其上原位生长的石墨烯纳米棒。在Co的催化下，石墨烯纳米天线在中空碳纳米纤维表面原位生长，可以有效引导电磁波进入纤维内部，进而被损耗。因此，碳纳米纤维在更好的阻抗匹配条件下实现了更高的损耗能力，与没有纳米天线的结构相比，其有效吸收带宽增加了一倍，并覆盖了5G频段（4.5-6 GHz，图2）。

图2. 材料微结构和吸波性能：纳米纤维的（a）微结构和（b）吸波性能；带有纳米天线的纳米纤维的（c）微结构和（d）吸波性能。

总结/展望

本工作设计了一种一维纳米天线结构，并研究了在低频下其对材料吸波性能的影响。纳米天线可以有效引导电磁波进入材料内部，进而实现材料损耗能力和阻抗匹配的协同提升，增强材料在低频下的吸波性能。该结构为低频吸波剂的设计提供了新的思路。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，西北工业大学范晓孟副教授为通讯作者，西北工业大学博士李明航和东莞理工大学宋忻睿为文章的共同第一作者。

通讯作者信息

范晓孟 副教授

https://teacher.nwpu.edu.cn/m/2017010059.html

ACS Applied Materials & Interfaces. 2023, 15, 26, 31720–31728

Publication Date: June 25, 2023

https://doi.org/10.1021/acsami.3c04839

Copyright © 2023 American Chemical Society