磁性介孔材料的吸波特性调控与透射电子显微学分析

按照电磁阻抗渐变的匹配设计，利用结构有序的介孔模板和"纳米铸造"技术合成新颖的磁性介孔微波吸收材料，特征为：孔道内部填充铁磁性金属纳米粒子或纳米线、外层再包覆介电常数和磁导率可调的多层介孔氧化物薄膜、吸波频带宽且反射衰减强。运用电子全息、电子能量损失谱/高角环型暗场成像、磁圆二向色性、原位加热透射电镜实验等先进的电子显微学技术，研究多种"核壳"结构和多层介孔薄膜的的电磁参数匹配组合、介孔墙壁与内部磁性金属之间界面相的微结构，磁单畴的磁极化强度与畴壁位移行为、比表面贡献的损耗、加热相变对上述材料吸波能力的影响规律。解析介孔孔道内部磁性金属纳米颗粒的自旋磁矩，通过解析能量损失谱的近边精细结构研究介孔孔道与磁性金属界面区域的元素的价态精细结构和带间跃迁、低能损失谱对应的介电函数与密度泛函计算，建立物理模型。本申请的基础为申请者在Adv. Mater.上发表的文章,已被引用155次。

本项目按照电磁阻抗匹配原则设计并制备了一系列新颖的磁性介孔微波吸收材料，优点包括：低密度、多组元、吸波强、频带宽。课题优化了纳米铸造、层层包覆自组装和溶剂挥发诱导自组装的合成工艺参数。其中，海胆状复合微球吸收剂的吸波能力最强，达-60分贝，且带宽超过8GHz。强吸波的机理在于把钴镍坡莫合金强磁性材料作为磁核提供磁损耗、把氧化物纳米片和纳米纤维组装在磁核外表面提供介电损耗，成功构筑了三明治状的多级复合吸波结构。同时，发现了一种准确且易于实现的调节吸波频率的方法，即只改变双层碳纳米管薄膜铺排的交叉角就可以敏感地使吸波频率得到移动，透射电镜电子全息实验证实介电极化场的分布与形状受碳管阵列铺排方式的影响。结果以通讯作者身份在Advanced Materials发表了2篇论文。课题系统研究了复合介孔材料的结构排布对吸波性能的影响，发现：孔道排列方式、核壳的化学组分、介孔薄膜的厚度和孔道与填充物的界面对复合材料整体的吸波能力有显著的调控作用。有效的调变策略是退火的温度、气氛、前驱物种类形状等。这部分结果以通讯作者发表了20多篇Journal of Materials Chemistry、ACS Applied Materials Interface和Nanoscale文章。本课题运用特色洛伦兹电镜分析建立了磁性介孔复合吸波材料的微结构与性能之间的联系，取得了一系列突破性进展。透射电镜中原位加热实验表明：以四氧化三铁为核、以二氧化锆为壳的磁介孔微球在1200度以下的结构都可以得到很好的保持，外壳的结构完整，有效地保护了内核不被氧化而导致的磁性降低。介孔复合金属纳米粒子在透射电镜中的原位加热实验揭示了奥斯瓦尔德熟化机制与重力势能在介孔金属复合体系中的重要作用，表面等离激元能量扩展是金属颗粒在限域空间中迁移和合并的驱动力，该结果以通讯作者发表在ACS Nano和Appl. Phys. Lett.上。低温原位电磁场耦合电镜实验表明，磁畴可以被多场调制，在合适条件下转变为拓扑数守恒的圆球状磁畴，这对于理解吸波机理的损耗提供了直接证据，结果以通讯作者发表在Nature Communication上。课题总共发表SCI论文40多篇（通讯作者且标注了资助号），培养研究生12人以上，在国际国内会议做邀请报告11次。