吴仁兵团队在新型电磁吸收材料研究领域取得重要进展

shengdan

随着电子器件的小型化、智能化和高度集成化，电磁干扰以及器件工作时带来的热量问题严重制约着器件的性能。目前解决电磁干扰问题的主要策略是借助电磁吸收材料本征的磁或介电损耗将电磁波转化为热能进行耗散，从而达到消除电磁干扰的目的。该策略尽管能够有效地缓解电磁干扰，但却忽视了电磁能的可循环利用。此外，直接的电磁耗损在小型化、密集型的电子设备内部还会出现严重的制热问题，从而迅速衰减电磁吸收能力。
       有鉴于此，复旦大学材料科学系吴仁兵团队从电磁能循环利用的视角，提出了一种新的二阶能量转换方案：将电磁波耗散转换成热能，再基于热电效应将热能转换为电能。相关研究成果2月5日以“A flexible electromagnetic wave-electricity harvester”为题在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications, 2021, 12, 834）。

图1. （a）锡颗粒在石墨碳基体中通过热处理展现的分裂行为示意图;（b-c）锡/碳复合材料的透射电镜图

       要实现高效的电磁-热-直流电转化效率，材料需满足高的电导率和赛贝克系数以及低的热导率。尽管传统的半导合金体热电型材料拥有较高的热电转化效率，但其较低的电导率和赛贝克系数严重地制约了电磁-热-电转化能力。为了实现上述二阶能量转换方案和平衡电磁-热-电能转化效率，该团队通过材料成分和结构设计，构建了金属锡/碳复合材料为核心层的“三明治”结构。研究发现，锡在热处理过程中能呈现出像生物细胞一样的分裂行为，三次热处理后，金属锡分裂成3 纳米左右的纳米晶，均匀分散在石墨碳基体中（图1）。镶嵌有金属锡纳米晶的石墨碳基体表现出增强的声子耦合能力，能大幅降低复合材料热导率的同时提高电导率，从而有助于热-电转化效率的提升。此外，通过金属锡的高温催化效应，使得碳基体呈现出较好的石墨化程度和窄禁带特性，也有效地提高了复合材料的塞贝克系数（图2a-e）。
为进一步提高电磁吸收效率，三明治结构的顶层选择性地沉积了透波和绝热性能极好的派瑞林高分子层，底层构筑了派瑞林/金阵列。这样的宏观结构设计可有效构建电磁反射回路，不仅能提高锡/碳中间层的电磁捕捉能力；同时有效产生温度梯度，实现热-电转化。研究结果表明，经过电磁波辐射150秒后的器件最大输出功率密度为0.394 W/m2（图2f）。

图2. 锡/碳复合材料的（a）电导率，（b）介电常数，（c）赛贝克系数，（d）热导率，（e）耦合的电磁波-热-电性能；（f）电磁波-电能收集体受微波辐射后输出的功率密度

       该研究为设计电磁吸收材料，更好地解决电磁干扰提供了新的思路。研究工作得到了海外高层次人才引进计划、中国博士后科学基金、国家自然科学基金和复旦大学等的经费支持。
       文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21103-9


        文章来源：复旦大学
        吴仁兵，复旦大学材料科学系青年研究员，博士生导师，中组部青年##，Journal of Alloys and Compounds副主编（Editor）。2004年6月本科毕业于合肥工业大学化学工程与工艺专业，2009年6月博士毕业于浙江大学材料科学与工程专业。2011年至2015年在新加坡南洋理工大学机械与宇航学院从事博士后研究。研究方向集中于配位聚合物剪裁设计及其衍生的功能材料微观结构调控及能源环境应用。近几年来，在上述领域取得了一系列成果，在主流学术期刊发表70篇学术论文，发表的论文被引2000余次。其中以第一作者/通讯作者在Prog. Mater. Sci.，Adv. Mater.，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.，Adv. Energy Mater.等期刊发表论文近50篇。第一/通讯作者发表的论文中有6篇属于ESI高被引论文。