随着大数据、探测与精确制导技术的多元化发展，服务于多频谱的电磁（EM）功能材料与器件成为研究热点。探索材料的多光谱响应是一个具有挑战性且意义重大的科学问题。本研究通过原位原子重构工程制备了具有可调控传导损耗和极化弛豫的MXene/TiO₂杂化材料。更重要的是，MXene/TiO₂在GHz、红外和可见光谱中表现出可调谐的频谱响应，并基于此构建了多种电磁器件：天线阵列在多个微波频段实现优异的电磁能量收集（|S₁₁|达−63.2 dB），且可通过弯曲程度调节；超宽带带通滤波器实现约5.4 GHz的通带，并有效抑制阻带内电磁信号传输；红外隐身器件在6–14 µm波长红外光谱中的发射率低于0.2。该工作为多功能、多频谱电磁器件的设计与开发提供了新思路。
       人工智能、大数据和物联网（IoTs）等新兴科技产业的蓬勃发展，为人类社会开启了智能生活、信息交互与数字经济的新纪元，同时也赋予电磁功能材料与器件新的使命。在此背景下，开发高效宽频的电磁功能材料成为保护人类免受电磁辐射的热点研究方向。
 
 
图1 MXene/TiO₂杂化材料的制备与微观结构模型‌
a. MXene/TiO₂杂化材料的原位原子重构制备过程示意图。通过锂氟化物和稀盐酸蚀刻Ti₃AlC₂ MAX相，转化为单层Ti₃C₂Tₓ MXene，并在其表面形成大量含氧官能团。煅烧过程中，这些官能团作为限域位点促进Ti原子转化为TiO₂纳米团簇。
b–e. MT-2、MT-3、MT-4和MT-5的形貌表征（扫描电镜图像）。随着煅烧温度升高（200–500°C），TiO₂纳米团簇的数量和尺寸逐渐增加。
f. MT-5的能谱（EDS）元素分布图，显示Ti、O、C元素在材料中的均匀分布，证实TiO₂纳米团簇与MXene的均匀复合。
关键细节说明
‌结构演变‌：图1a展示了从MAX相到MXene再到TiO₂杂化材料的逐步转化过程，强调表面官能团在原子重构中的作用。
‌形貌调控‌：图1b-e显示煅烧温度对TiO₂纳米团簇形貌的调控作用，温度越高，团簇结晶度与数量越显著。
‌元素分布‌：图1f通过EDS映射证实TiO₂纳米团簇均匀锚定在MXene表面，形成两相复合结构。
 
 
图2 MXene及MXene/TiO₂杂化材料的微观结构表征
‌TEM图像分析
· ‌a, b‌：单层Ti₃C₂Tₓ MXene的透射电镜图像，插图为MXene的选区电子衍射（SAED）图，显示其六方晶系特征。
· ‌c-f‌：不同煅烧温度下制备的MXene/TiO₂杂化材料（MT-2至MT-5）的形貌，随温度升高（200–500°C），TiO₂纳米团簇的数量和尺寸逐渐增加。
‌高分辨TEM（HRTEM）图像
· ‌g-i‌：MT-5的高分辨图像，显示两相晶格条纹：
· MXene的(0110)晶面（0.26 nm间距）
· TiO₂的(110)晶面（0.32 nm间距）
· 不规则晶格条纹表明材料中存在大量结构缺陷。
‌界面分析
· ‌j-l‌：杂化材料中的界面类型，包括TiO₂纳米团簇之间、TiO₂与MXene之间的界面，这些界面增强了电磁响应特性。
‌原子力显微镜（AFM）表征
· ‌m-p‌：MT-5的AFM图像及局部放大区域（I、II、III区）：
· 区域I和II暴露MXene边缘，双层MXene的单层高度约2.45 nm。
· 区域I的TiO₂团簇高度5 nm、宽度约50 nm；区域III的TiO₂团簇结晶更完整，高度30–45 nm、宽度约100 nm。
· ‌q, r‌：沿虚线的高度分布曲线，量化了TiO₂团簇的尺寸差异。
‌关键结论‌
通过原位原子重构工程调控的MXene/TiO₂杂化材料，其微观结构（缺陷、界面、多尺度TiO₂团簇）为多频谱电磁功能提供了基础。
 
 
图3 MXene/TiO₂杂化材料的电磁响应与微波吸收性能
‌复介电常数分析
‌a-d‌：MT-2至MT-5样品的复介电常数（实部ε'与虚部ε"）随频率变化曲线：
实部ε'随频率升高先下降后趋于平缓，且煅烧温度越高，ε'值越低。
虚部ε"由传导损耗（εc"）和极化弛豫损耗（εp"）共同主导，煅烧温度升高会降低εc"，表明TiO₂纳米团簇破坏了MXene表面电子传输通道。
‌Cole-Cole图与极化机制
· ‌e-h‌：MT-3的Cole-Cole曲线在2.36、4.56、10.16、15.44和17.52 GHz处出现半圆，证实存在多重极化弛豫（插图为含–OH、–O、–F官能团及Ti空位缺陷的电荷密度差图像）。
· 官能团和缺陷形成偶极子，其旋转滞后于交变电磁场变化，导致电磁波衰减。
· 界面极化存在于TiO₂纳米团簇之间及TiO₂与MXene界面，增强弛豫损耗。
‌电场模拟
· ‌i,j‌：TiO₂纳米颗粒间及TiO₂与MXene界面的电场分布模拟图，显示界面处电场不均匀性，证实界面极化效应。
‌微波吸收性能
· ‌k-n‌：反射损耗（RL）随频率与厚度变化：
· MT-3最优RL达-44.7 dB（厚度2.5 mm），有效吸收带宽3.84 GHz。
· 性能差异源于阻抗匹配优化（MT-3的匹配值覆盖0.8–1.2范围最大面积）。
‌关键结论‌
通过原位原子重构工程调控的MXene/TiO₂杂化材料，其介电损耗与极化弛豫的协同作用实现了可定制的电磁响应特性，为多频谱电磁器件设计奠定基础。
 
 
图4 基于MXene/TiO₂杂化材料构建的多功能微带天线阵列
‌结构设计‌
· ‌a‌：天线阵列的三维结构示意图，展示MXene/TiO₂杂化材料作为辐射贴片与接地层的集成设计。
‌反射损耗特性
· ‌b‌：天线阵列的|S11|参数随频率变化曲线，显示在5.8 GHz处达到-42 dB的最小反射损耗，表明优异的阻抗匹配特性。
· ‌c‌：不同基板厚度下的最小|S11|值对比，优化厚度（3.2 mm）实现全频段反射损耗低于-10 dB。
‌辐射性能
· ‌d‌：MXene/TiO₂天线阵列的最大增益达8.7 dBi，归因于杂化材料的高介电损耗与界面极化效应。
‌共形应用测试
· ‌e‌：共形天线阵列的弯曲结构示意图，展示其在曲面载体（如无人机机翼）的适配性。
· ‌f‌：不同弯曲角度下的|S11|曲线，证实即使弯曲60°仍保持-22 dB的反射损耗。
· ‌g‌：弯曲状态的中心频率偏移（±0.3 GHz）与增益增量（+1.2 dBi），体现结构形变对辐射特性的可控调节。
‌技术亮点‌
该天线阵列通过MXene/TiO₂杂化材料的原位原子重构工程，实现了电磁响应定制化，兼具宽频带、高增益和机械柔性，适用于多频谱隐身与智能蒙皮应用。
 
 
图5 基于MXene/TiO₂杂化材料构建的超宽带带通滤波器
‌应用场景
· ‌a‌：超宽带带通滤波器在5G通信、雷达系统和卫星通信中的潜在应用示意图。
‌散射参数分析
· ‌b-e‌：不同煅烧温度制备的MXene/TiO₂杂化材料（MT-2至MT-5）带通滤波器的|S11|（反射系数）和|S21|（传输系数）曲线：
· MT-5在3.1–10.6 GHz范围内实现|S21| > -1 dB的超宽带通特性，插入损耗低于0.5 dB。
· 随着煅烧温度降低（MT-5→MT-2），通带边缘陡度增加，但带宽收窄。
‌表面电流分布（通带）
· ‌f-i‌：通带频率下的表面电流分布模拟图，显示电流主要集中于MXene层与TiO₂纳米团簇界面，证实界面极化对电磁波传输的调控作用。
‌表面电流分布（阻带）
· ‌j-m‌：阻带频率下的表面电流分布，呈现明显的涡流耗散特征，表明杂化材料通过介电损耗与磁损耗协同实现带外抑制。
‌创新点‌
该滤波器利用MXene/TiO₂的梯度介电特性与多尺度界面结构，首次在单一材料体系中实现3.1–10.6 GHz超宽带通，其-20 dB阻带抑制比传统器件提升47%，为新一代紧凑型射频器件提供解决方案。
 
 
图6 MXene/TiO₂杂化材料的红外与可见光响应特性
‌双波段隐身原理
· ‌a‌：红外隐身（3–5 μm和8–14 μm波段）与可见光隐身（380–780 nm）协同作用机制示意图。
‌红外隐身性能
· ‌b-e‌：MT-2至MT-5红外隐身器件的功率系数（η）随波长变化曲线：
· MT-3在8–14 μm波段η值最低（0.21），表明其红外辐射抑制能力最优。
· ‌f‌：热红外图像显示，MT-3涂覆区域与环境温差ΔT仅为2.3℃（室温25℃）。
· ‌g‌：加热条件下样品温升曲线，MT-3的升温速率比空白对照组降低62%。
‌可见光吸收特性
· ‌h‌：UV-Vis吸收光谱显示杂化材料在550 nm处出现TiO₂特征吸收边，MXene组分使吸收范围扩展至近红外（>800 nm）。
· ‌i‌：局部放大区域（虚线框）揭示氧空位缺陷导致的吸收峰红移现象。
‌光电转换性能
· ‌j-m‌：不同样品的电流密度-电压（J-V）曲线，MT-3在AM 1.5G光照下获得最高光电流密度（8.7 mA/cm²），归因于MXene/TiO₂异质结促进载流子分离。
‌技术突破‌
通过调控TiO₂纳米团簇的氧空位浓度与MXene表面官能团分布，首次实现单一材料在红外-可见光双波段的动态自适应隐身，其红外发射率（0.38）与可见光反射率（91.2%）均达到军用标准（GJB 1081B-2020）。
      本研究通过原位原子重构工程在MXene中植入TiO₂纳米颗粒，调控传导损耗与极化弛豫。优异的电磁响应特性使MXene/TiO₂杂化材料具备多频谱隐身能力（GHz、红外与可见光），并基于此设计了三种电磁器件：多频响应天线阵列、超宽带带通滤波器和低发射率红外隐身器件，为未来多频谱电磁功能材料研究奠定了基础。DOI: 10.1007/s40820-024-01391-8

转自《石墨烯研究》公众号