随着多波段、宽带智能通信系统、电子探测设备、合成孔径雷达的广泛、快速发展，空间电磁污染引发了生物不适、电磁干扰、信息泄露等诸多严重的负面问题。更重要的是，L(1-2 GHz)和S(2-4 GHz)频段的低频波段因其高发射功率也在第五代(5G)通信、远程地空预警雷达、气象探测等领域得到广泛应用。因此，为应对日益复杂的电磁环境，探索能够同时覆盖低、中、高频的高性能宽带电磁波吸收材料具有重要意义。从根本上说，因为更高的损耗能力意味着更差的阻抗匹配，实现宽带电磁波吸收的核心是解决多频段的阻抗匹配和高强度电磁波耗散能力的矛盾。

  近日，南开大学黄毅教授和马文乐助理研究员，针对宽频电磁波吸收材料低频吸收性能差的难题，首次采用新颖的强磁-介电协同梯度的设计策略，构建了由取向磁性薄膜和周期性石墨烯基气凝胶组成的电磁波吸收超材料，展现出优异超宽频多频谱兼容的电磁波吸收性能，首次实现有效吸收频段覆盖1-40,50-110 GHz和0.1-2.0THz，此外该超材料在不同入射角度下都可以保持优异的多频谱隐身性能。这项工作为即将到来的智能时代隐身技术的发展提供了巨大的推动力。相关研究在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表，题为“Strong Magnetic-Dielectric Synergistic Gradient Metamaterials for Boosting Superior Multispectral Ultra-Broadband Absorption with Low-Frequency Compatibility”。

研究要点1：

图1石墨烯周期性单元和定向磁膜组成的磁电协同超材料的制备原理图

研究要点2：

  作者通过电磁仿真软件对强磁-介电协同梯度超材料的宽频电磁波吸收性能进行优化，对比单一的磁性羰基铁薄膜和石墨烯基气凝胶材料，本研究中提出的新型磁-介电协同梯度超材料展现出优异的宽频电磁波吸收性质，同时可以有效改善吸波材料在低频频段吸收差的难点。

研究要点3：

图 4. 电磁波吸收机理分析

  作者展示了一种由周期性石墨烯气凝胶单元和柔性定向羰基铁薄膜组成的新型磁-介电协同超材料。采用定向冷冻干燥法制备了垂直定向结构的石墨烯气凝胶，采用刮涂技术制备了水平定向的大规模定向羰基铁薄膜。通过仿真和实验验证了磁-介电协同超材料的宽带吸收性能取决于石墨烯气凝胶单元的几何形状和磁膜的磁损失容量。与以往的宽带电磁波吸收材料相比，新型磁-介电协同超材料提供了增强的多光谱超宽带电磁波吸收性能，其有效吸收频段可以覆盖1 - 40, 50-110 GHz和0.1-2 THz。整个测试频率的平均反射损耗高达-19.3 dB (电磁波被吸收98.8%)。此外，当天线的入射角从5°增加到45°时，磁-介电协同超材料保持了良好的宽带吸收性能。

作者简介

  黄毅，南开大学材料科学与工程学院教授，博导。长期致力于新型电磁功能材料的研究，于2015年率先发展了基于三维石墨烯的宽频雷达隐身材料，实现了吸波强度和有效吸波频段智能可调（Adv. Mater., 2015, 27, 2049）；2018年首次报导了石墨烯复合材料的高效、超宽频太赫兹吸波性能（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704363）；2022年突破了新型二维磁性材料Fe₃GeTe₂的宏量制备方法，并率先获得了对微波/太赫兹的高效吸收/屏蔽，实现了宽带雷达散射截面的有效缩减（ACS Nano, 2022,16, 7861）；2023年提出一种墨水直写3D打印策略制备具有高强度气凝胶材料，实现精确可调的MXene高性能电磁波吸收器。