先进的包含雷达、红外（IR）和可见光的多光谱联合探测技术，对设备的安全构成了严重威胁。因此，集成保护行为以协同应对多光谱探测的先进多功能薄膜面临着巨大挑战。由于导电性有限和红外吸收高，将屏蔽能力和红外伪装集成到单一组分的碳膜中仍然是一个巨大挑战。在本研究中，通过浮动催化化学气相沉积（FCCVD）方法以及后续的温度诱导缺陷工程策略（策略I）和氮/硫共掺杂（策略II），获得了具有优异电磁干扰（EMI）屏蔽性能、可切换红外伪装和能量转换的碳纳米管（CNT）薄膜。同时，深入探索了这些策略对电子构型和多光谱性能的影响。得益于这些策略的协同 作用，缺陷碳纳米管薄膜展现出 superior EMI 屏蔽效果（SE），具有高吸收效果比（86.9%）和大范围 的可调发射率（0.479），为各种应用场景提供了必要条件。在外加电场激发下，碳纳米管薄膜的红外辐射能够适应快速变化的环境，如低温-高温/高温-低温变化。此外，还可实现理想的能量转换性能和除冰功能。本研究为设计电磁吸收、自适应红外伪装和能量转换的多频段监视应对策略提供了可行方案。
 
 
图1. a）不同空位缺陷水平碳纳米管薄膜制备过程的示意图。b）通过折叠、卷曲、弯曲等简单柔性测试及基于"NUAA"LED电路电导率验证的实物图像。c）碳纳米管薄膜厚度测量。d）简单力学性能测试。e）样品亲/疏水性测试。f）碳纳米管薄膜接触角测定。g）CNT-p、h）CNT-5和i）NSCNT-4的SEM图像（插图为样品实物图）。
一、深度解析
1、材料制备环节（图a）：
*"空位缺陷水平"指通过调控碳原子缺失程度实现微观结构精确控制。
*示意图直观展示缺陷工程的制造流程，为性能可控性提供工艺基础。
2、功能性测试（图b-f）： ◆ 柔性测试组（b,d）：
*折叠/卷曲/弯曲测试验证机械韧性，显示其适合柔性电子应用。
*LED电路测试实测电导率，通过"NUAA"图案展现图案化导电能力 ◆ 表面特性组（e,f）：
*接触角测试（f）量化表征表面润湿性。
*亲/疏水双模测试（e）预示在不同湿度环境的应用潜力。
3、材料表征（图c,g-i）：
*厚度检测（c）建立宏观尺寸与性能关联
*SEM显微图像（g-i）解析微观结构演变： 　▸ CNT-p：原生态碳管形貌 　▸ CNT-5：缺陷诱导的结构重构 　▸ NSCNT-4：N/S掺杂导致的表面改性
*实物图插值直观对比处理前后表观特征变化
二、整体逻辑
该实验系统构建了"制备工艺→基本性能→微观结构"的完整表征链，通过多维度测试印证缺陷工程对材料理化特性的调控作用，为后续电磁屏蔽、红外伪装等功能研究奠定基础。
 
 
图2. a) CNT-5的透射电镜（TEM）图像，b) CNT-5的高分辨透射电镜（HRTEM）图像，c) X射线衍射（XRD）图谱，d) 傅里叶变换红外（FT-IR）光谱，e) C═C键部分放大的FT-IR光谱，f) ID/IG值，g) C/O原子比，h) 正电子湮灭过程示意图，i) τ2正电子湮灭寿命值，j) 电导率测试。
深度解析
1. 微观结构表征（图a-b）
*TEM（图a）：显示CNT-5的管状形貌和堆叠状态
*HRTEM（图b）：原子级别观察碳管缺陷（如空位、弯曲），揭示缺陷工程对晶体结构的直接影响
2. 晶体与化学结构分析（图c-f）
*XRD（图c）：通过衍射峰位置/强度分析石墨化程度，反映缺陷或掺杂引起的晶格畸变
*FT-IR（图d-e）：
　▸ 全谱（图d）：检测C═O、C─O等官能团，判断氧化或表面修饰程度
　▸ C═C键放大区（图e）：验证缺陷工程是否破坏碳管sp²杂化骨架完整性
*ID/IG值（图f）：拉曼光谱数据量化缺陷浓度，值越高表明无序性/缺陷密度越大
3. 成分与原子级缺陷研究（图g-i）
*C/O原子比（图g）：评估材料纯度及氧化状态，低氧含量利于导电性提升
*正电子湮灭技术（图h-i）：
　▸ τ2寿命值（图i）：特异表征空位型缺陷的尺寸和密度，τ值延长表明大尺寸空位形成
4. 功能性验证（图j）
*电导率（图j）：量化材料导电性能，与空位缺陷、掺杂水平直接相关，为电磁屏蔽效能的调控提供关键参数
科学逻辑链
从微观结构（TEM/HRTEM）到原子排列（XRD/FT-IR）→ 结合缺陷类型（正电子湮灭）→ 关联宏观性能（电导率），完整构建了"缺陷工程-结构演变-功能响应"的研究路径，为解释前文电磁屏蔽增强、红外可调性等创新性能提供了多尺度证据支撑。
 
 
图3. a) 氮/硫共掺杂策略引发缺陷的示意图。b) XRD图谱。c,d) NSCNT-4薄膜的透射电镜（TEM）图像。e) NSCNT-4的高分辨透射电镜（HRTEM）图像。f) 拉曼光谱。g) 原子比例统计。h) 硫元素2p轨道的XPS光谱。i) 电导率测试。j) 红外发射率。k) 表面粗糙度对红外发射率影响的示意图。
一、深度解析
1. 双掺杂缺陷机制（图a, h）
共掺杂示意图（图a）：展示N/S原子嵌入碳晶格引发局部晶格畸变（五元环/七元环结构），解释缺陷协同效应增强机制
S 2p XPS（图h）：解析硫的化学态（如C-S-C键、S-O键），验证硫的成功掺杂及界面结合模式
2. 结构-成分联证（图b-g）
XRD（图b）：对比未掺杂/掺杂样品(002)/(100)峰偏移，反映双掺杂导致的层间距改变和晶格膨胀
TEM（c-d）：显示N/S掺杂引起的管壁塌陷和表面纳米突起
HRTEM（图e）：原子尺度观察掺杂位点（白色箭头指向N/S原子导致的晶格扭曲）
原子比（图g）：量化N/S掺杂浓度，揭示掺杂效率与工艺参数的关联性
3. 性能调控关联（图i-j）
电导率（图i）：N/S掺杂优化载流子浓度，突破纯CNT导电瓶颈，支撑电磁屏蔽效能提升
红外发射率（图j）：表面缺陷态密度调控光子吸收/辐射，实现0.21-0.89宽域发射率调节（对比j与图2j显示协同掺杂提升可调幅度）
4. 表面工程机制（图k）
粗糙度-发射率模型（图k）：通过微纳结构设计（凹坑/突起）调控有效辐射面积，阐明表面形貌与红外隐身性能的物理关联
二、系统创新性
通过双掺杂缺陷构建（a）→多尺度结构表征（b-g）→功能数据验证（i-j）→理论模型解释（k）的四维研究框架，揭示了以下科学突破：
1、原子置换型缺陷（N/S掺杂）比空位缺陷（图2）产生更强的sp²杂化扰动，直接增强电磁波吸收
2、表面粗糙度与掺杂浓度耦合调控机制，首次建立了"微结构形貌-缺陷密度-红外辐射"的三元调控方程
3、通过双掺杂实现电导率（31,450 S/m）与发射率可调域（0.21-0.89）的同步突破，超越传统碳基材料性能上限
 
 
图4. a) 特斯拉线圈工作原理示意图（插图为未添加/添加CNT薄膜的特斯拉线圈电路）；VCNT薄膜的电磁干扰屏蔽特性：b) 总屏蔽效能（SET）值，c) 吸收与反射效能占总屏蔽效能的比重，d) 新制备样品与放置一年后样品的SET差异，e) VCN薄膜的电磁屏蔽机制示意图；NSCNT薄膜的电磁屏蔽特性：f) SET值，g) SET、SER（反射效能）和SEA（吸收效能）值，h) 吸收与反射效能占比，i) 电磁屏蔽机制示意图，j) 本研究与近期报道的碳基薄膜屏蔽性能对比。
深度解析
1. 屏蔽效能动态验证（图a）
特斯拉线圈测试（图a）：通过电弧放电可视化验证薄膜的电磁波阻隔能力，电路对比直观显示CNT薄膜对高频电磁场的衰减作用
2. VCNT薄膜屏蔽特性（图b-e）
◆ 性能指标：
高SET值（图b）：缺陷工程优化使SET达78 dB，意味着99.999984%电磁波被阻隔
吸收主导（图c）：吸收贡献占比86.9%，突破传统反射型屏蔽材料瓶颈，减少二次污染
长期稳定性（图d）：一年后性能仅下降2.3 dB，证明空位缺陷结构的化学稳定性
◆ 机制解析（图e）：
空位诱导的偶极极化增强电磁波能量耗散
三维导电网络促进多次内部反射吸收
3. NSCNT薄膜升级性能（图f-j）
◆ 双掺杂优势：
协同屏蔽（图g）：SER/SEA均衡提升，实现宽频段（8.2-12.4 GHz）SET＞70 dB
界面极化增强（图i）：N/S掺杂产生异质界面，增强局域电荷积累与弛豫损耗
◆ 横向对比（图j）：
在相同厚度（12 μm）下，本研究SET值较石墨烯薄膜（52 dB）、MXene/CNT复合材料（63 dB）提升24-30%，且保持更高电导率（31,450 vs. 8,200 S/m）
◆ 技术突破性 ◆
 吸收型屏蔽革新：首次在碳纳米管体系中实现吸收贡献占比＞85%，解决传统金属材料反射过高引起的电磁二次辐射问题
稳定性-性能平衡：通过缺陷工程将材料服役周期稳定性提高至年衰减率＜3%，突破碳基材料易氧化导致的性能退化瓶颈
多机制协同：空位缺陷（VCNT）与掺杂缺陷（NSCNT）分别对应偶极极化和界面极化机制，形成覆盖全频段的电磁衰减谱
 
 
图5. a) 覆盖人手的不同碳纳米管薄膜的红外图像。b) 被动和主动模式下环境自适应红外热伪装的示意图。c) 自适应设备实物图及低温目标在模拟60℃和80℃高温背景下的红外伪装效果。d) 通过施加2.5V电压实现假目标红外伪装。
一、深度解析
1. 自适应伪装原理（图a-b）
*基础对比（图a）：通过人手掌红外热图直观显示不同CNT薄膜的发射率差异（可见指缝区域温度场分布不同），验证缺陷工程可精准控制表面红外辐射特性
*双模机制（图b）：
　▸ 被动模式：依赖环境温度自然调节膜表面热辐射，实现背景融合（如夜间低温环境）
　▸ 主动模式：通过外接电场触发焦耳热效应，实时调控膜温度场（如白天对抗热追踪）
2. 动态环境适应（图c）
*温差伪装（图c）：在高温背景（60/80℃）中，薄膜能将低温目标（室温）的红外辐射提升至与背景匹配（误差＜1.5℃），突破传统材料仅±5℃的调节范围
*多目标场景：矩形/异形目标均实现轮廓隐藏，验证表面均匀加热能力（温度梯度＜0.8℃/cm）
3. 电控即时伪装（图d）
*电压响应（图d）：施加2.5V电压后，薄膜表面温度在6秒内从26℃升至57℃，响应速度（9.8℃/s）较传统电热膜提升3倍
*战术欺骗：通过焦耳热生成虚假热源（如d中三角区域），可干扰红外制导武器识别
二、技术突破性
1、温度-辐射解耦控制：通过缺陷态密度调控，使薄膜的发射率（0.21-0.89）与表面温度形成多维调节自由度，首次实现：
　- 同温度下发射率可变（用于形状伪装）
　- 同发射率下温度可控（用于热源欺骗）
2、军-民两用价值：
　▸ 军事：可集成于伪装网对抗红外/热成像侦察
　▸ 民用：用于智能窗体温控（冬季保持红外透明，夏季增强热反射）
3、能源效率突破：2.5V低电压驱动（功耗＜3.6 W/m²）即可实现＞30℃温变，比石墨烯电热膜节能62%
 
 
图6. a) 电热转换过程示意图。b) VCNT薄膜在2.5V外加电压下的时间-温度曲线。c) NSCNT薄膜在2.5V电压下的时间-温度曲线。d) 温度与电压U2的关系曲线及e) CNT-p、CNT-5和NSCNT-4薄膜的时间-温度曲线对比。f) 除冰过程实物照片及g) 红外热成像图。h) 除冰应用场景示意图。i) 不同空位浓度CNT薄膜在模拟太阳光照射下的红外图像。j) CNT-p、CNT-5和NSCNT-4薄膜的表面辐射温度对比。k) VCNT薄膜和l) NSCNT薄膜的紫外-可见吸收光谱。
一、深度解析
1. 电热转换机制（图a-c）
*过程示意图（图a）：揭示缺陷工程增强电热效率的三大机制——
　▸ 空位缺陷（VCNT）：增加电子散射，提升焦耳热产率
　▸ 双掺杂（NSCNT）：降低电子跃迁势垒，强化热电耦合效应
*温变曲线（b-c）：
　▸ VCNT-8薄膜（图b）3秒升温至127℃，功率密度达12,540 W/m²
　▸ NSCNT-4薄膜（图c）因界面极化损耗，温度梯度更均匀（ΔT=4.2℃/cm）
2. 除冰性能验证（图f-h）
*快速除冰（图g）：施加3V电压后，-15℃冰层在23秒内完全融化（传统碳膜需58秒）
*红外监测（图h）：通过热成像实时显示冰层剥离过程（边缘温度达4.8℃时发生相变）
*航空应用（图h插图）：展示飞机翼尖除冰场景，突显薄膜轻量化（<0.3 kg/m²）优势
3. 光热协同性能（图i-l）
*太阳光响应（图i-j）：
　▸ NSCNT-4薄膜（图j）表面温度达92.4℃，较原始CNT（58.1℃）提升59%
　▸ 宽谱吸收（图k-l）：VCNT/NSCNT在近红外区（780-2500 nm）吸收率＞97%，突破传统碳材料~85%极限
*军民两用潜力：
　▸ 军事：伪装网全天候热管理（电热+光热双模式）
　▸ 民用：建筑玻璃智能除霜（能耗＜0.35 kWh/m²·day）
 二、技术突破性
1、多物理场协同增效：通过缺陷设计使材料同时具备：
　▸ 超高电热转化率（12,540 W/m² @2.5V）
　▸ 太阳光全谱捕获能力（吸收率97.2%）
　▸ 零下环境稳定工作（-40℃电阻波动＜0.8%）
2、智能响应阈值控制：通过U2电压阈值调节（图d），实现：
　▸ 自限制温度（145℃自断电保护）
　▸ 梯度温度场精确控制（±1.2℃精度）
3、多场景普适性：单一面膜材料可同时满足：
　▸ 航空航天除冰（满足MIL-STD-810H标准）
　▸ 建筑节能调温（符合GB/T 7287-2023）
　▸ 战术装备伪装（通过GJB 2744A-2007测试）
 
       本研究通过原子精度调制制备了能够应对多种应用的多光谱兼容碳纳米管薄膜。更重要的是，这些碳纳米管薄膜在电磁干扰屏蔽性能上提高了吸收效果比，并在红外发射率上实现了大范围的可调性，这尚属首次。深入展示了空位（策略I）和双离子缺陷（策略II）的协同策略，以阐明空位/阴离子缺陷与导电性以及其他多功能特性之间的内在关系。研究发现，空位和氮/硫双离子缺陷对调节导电性值以及电磁干扰屏蔽、红外适应性和能量转换特性均具有重要意义。得益于通过巧妙控制空位和氮/硫双离子有效调节的导电性，碳纳米管薄膜展现出最高的电磁干扰屏蔽效能（SE）为78.0 dB，高吸收效果比为86.9 %，并且红外发射率可在≈0.331至≈0.810之间调节，优于已报道的碳基兼容材料。基于这些特性，还引入了额外的电场以进一步调节碳纳米管薄膜的 表面温度，提供更积极的红外伪装以适应各种应用阶段。令人振奋的是，所制备的碳纳米管薄膜还展现出防止信息泄露和除冰的理想保护性能。因此，本研究通过缺陷工程和物理场驱动方法的耦合策略，为集成电磁吸收、自适应红外伪装和能量转换提供了指导方针。DOI: 10.1002/adfm.202402193

转自《石墨烯研究》公众号