Высокопроизводительные нанокомпозиты CoFe/C типа ядро-оболочка для широкополосного поглощения микроволн

Аннотация

Нанокомпозиты CoFe/C типа ядро-оболочка (CoFe@C) изготавливали термическим разложением ацетилена с использованием CoFe₂O₄ как предшественника. XRD, XPS, Раман, TEM и термогравиметрический анализ подтвердили аморфную углеродную оболочку толщиной 5–30 нм, составляющую ~48,5 масс.% композита. Синергия между внутренними магнитными свойствами и высокой электрической проводимостью обеспечивает исключительную микроволновую поглощающую способность: минимальные потери отражения (RL) –44 дБ при 4,0 мм и полоса –10 дБ шириной 4,3 ГГц, центрированная при 2,5 мм.

Введение

Электромагнитные интерференции (EMI) создают растущую проблему для современной электроники. Микроволновые поглощающие материалы (MAM) смягчают это, преобразуя нежелательную ЭМ энергию в тепло или другие безвредные формы [1–5]. Идеальные MAM должны обладать широкой полосой, сильным поглощением, низкой плотностью и надежной стабильностью [6–9]. Наноконструкции типа ядро-оболочка, в частности, комбинируют множественные механизмы потерь — диэлектрические, магнитные и интерфейсные — ведуя к превосходной производительности [10–14]. Например, нанокольца Fe₃O₄/C обеспечили усиленное низкочастотное поглощение [18], в то время как композиты CoFe@C продемонстрировали эффективную полосу 4,3 ГГц в предыдущих отчетах [33]. Однако масштабируемый, однородный синтез таких систем ядро-оболочка остается вызовом.

Методы/Экспериментальная часть

Синтез CoFe₂O₄

CoCl₂·6H₂O (2,5 г) и FeSO₄·7H₂O (5,6 г) растворяли в 80 мл деионизированной воды и мешали при 80 °C в течение 1 ч. 30 мл 1 М раствора щавелевой кислоты нагревали до кипения и медленно добавляли при интенсивном перемешивании, образуя черный осадок. После охлаждения в ледяной воде осадок собирали, промывали водой и этанолом, сушили при 60 °C в вакууме 12 ч. Порошок обжигали при 600 °C в течение 1 ч (1 °C/мин) в муфельной печи.

Синтез CoFe@C

Порошок CoFe₂O₄ помещали в фарфоровую лодочку, вводили в трубчатую печь, эвакуировали, затем подавали ацетилен при атмосферном давлении. Реакция шла при 400 °C в течение 1 ч (5 °C/мин). После охлаждения нанокомпозит CoFe@C извлекали.

Характеризация

TEM и HRTEM выполняли на микроскопе JEOL JEM-2100. XRD использовали Cu Kα излучение на дифрактометре Bruker D8 Advance. XPS применяли спектрометр AXIS SUPRA с монохроматическим Al Kα (1486,6 эВ). Термогравиметрические данные собирали системой TA Q600 (10 °C/мин в воздухе). Рамановские спектры записывали на Renishaw inVia Reflex с лазером 532 нм. Магнитные измерения использовали альтернирующий-градиентный магнетометр MicroMag 2900/3900.

Измерение микроволнового поглощения

Образцы смешивали (50 масс.%) с парафином и пресовали в цилиндрические формы. Цилиндры резали на тороиды (внешний диаметр 7,00 мм, внутренний 3,04 мм). Параметры отражения и прохождения (S₁₁ и S₂₁) измеряли в диапазоне 2–18 ГГц анализатором векторных цепей Agilent N5230A коаксиальным линейным методом, из чего извлекали комплексную диэлектрическую проницаемость и магнитную проницаемость.

Результаты и обсуждение

Структурный анализ

XRD паттерны подтвердили инверсную шпинельную структуру CoFe₂O₄ (JCPDS 03-0864). CoFe@C показал пики сплава Fe-Co (JCPDS 44-1483) без кристаллитного графита, указывая на аморфную углеродную оболочку. XPS обзорные спектры обнаружили C, O, Fe и Co, с пиком C 1s при 284,5 эВ (sp² гибридизация). Рамановские спектры показали D-банду при 1345 см⁻¹ и G-банду при 1604 см⁻¹, дополнительно подтверждая дефектосный углерод. TEM изображения демонстрировали мезопористые частицы CoFe₂O₄ (средний 40–70 нм) и ядра CoFe, окруженные 5–30 нм углеродной оболочкой. Термогравиметрический анализ указал на углеродное содержание ~48,5 масс.% в CoFe@C.

Магнитные свойства

CoFe₂O₄ показал насыщенную намагниченность (M_s) 61,7 эму/г и коэрцитивную силу (H_c) 1536,8 Ое. CoFe@C демонстрировал M_s = 42,6 эму/г и H_c = 729,2 Ое, согласуясь с литературой для композитов CoFe/C. Умеренная M_s и более низкая H_c по сравнению с объемным FeCo предполагают, что углеродная оболочка снижает закрепление магнитных доменов.

Микроволновая поглощающая способность

CoFe₂O₄ демонстрировал слабое поглощение (минимум RL ≈ –7,1 дБ при 2,5 мм). Напротив, CoFe@C достиг замечательной производительности: минимумы RL –15,5 дБ (17,1 ГГц) при 2,0 мм, –17,9 дБ (13,3 ГГц) при 2,5 мм, –20,8 дБ (10,9 ГГц) при 3,0 мм, –26,1 дБ (9,3 ГГц) при 3,5 мм, –44,0 дБ (7,9 ГГц) при 4,0 мм, –31,8 дБ (7,0 ГГц) при 4,5 мм и –24,4 дБ (6,2 ГГц) при 5,0 мм. Особенно RL < –10 дБ сохранялся в диапазоне 11,6–15,9 ГГц (полоса 4,3 ГГц) при 2,5 мм, выполняя критерий 90 % поглощения для практического ЭМ экранирования.

Диэлектрические и магнитные механизмы потерь

Комплексная диэлектрическая проницаемость CoFe@C (ε′ = 5,5–9,1, ε″ = 2,0–5,4) превосходила CoFe₂O₄, благодаря высокой электрической проводимости и интерфейсной поляризации. Магнитная проницаемость (μ′ = 0,98–1,2, μ″ = 0–0,23) указывала на значительные магнитные потери, особенно рядом с естественной (~3 ГГц) и обменной (~12,5 ГГц) резонансами, в то время как вихревые токи были пренебрежимы (μ″μ′⁻²f⁻¹ не константа). Диэлектрический тангенс потерь (tan δ_E ≈ 0,7) и магнитный тангенс потерь (tan δ_M ≈ 1,4) подтвердили сильные механизмы потерь. В целом, синергия проводимостных потерь, интерфейсной дипольной поляризации и резонансных магнитных потерь подкрепляет превосходное поглощение CoFe@C.

Заключение

Мы представили масштабируемый путь получения нанокомпозитов CoFe/C типа ядро-оболочка с аморфной углеродной оболочкой (~48,5 масс.%). Полученный CoFe@C демонстрирует рекордное микроволновое поглощение: RL –44 дБ при 4,0 мм и полоса –10 дБ шириной 4,3 ГГц при 2,5 мм. Эти впечатляющие метрики возникают из сбалансированного сочетания диэлектрических и магнитных механизмов потерь, позиционируя CoFe@C как сильного кандидата для экранирования ЭМ следующего поколения.

Аббревиатуры

CoFe@C

Нанокомпозиты CoFe/C типа ядро-оболочка

EM

Электромагнитные

HRTEM

Высокоразрешающая проходная электронная микроскопия

MAMs

Материалы для поглощения микроволн

TEM

Проходная электронная микроскопия

TG

Термогравиметрический анализ

XPS

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD

Рентгеновская дифракция