MoS₂基混合维范德瓦尔斯异质结的吸波性能研究

钟伟

2017-10-16

随着现代通讯及电子技术的飞速发展，电磁波干扰和污染已成为继噪音污染、空气污染、水污染之后的第四大公害。同时雷达隐身技术在军事领域也越来越显示出其重要的战略价值。为了有效的应对这些挑战以及解决这些问题，寻找具有低密度、宽频带、高性能的吸波材料成为了目前研究的热点之一。经过近年来的深入研究，二维材料已渐渐成为吸波材料中的重要一员。近年来已有许多关于石墨烯吸波性能研究的工作指出，石墨烯高比表面积有利于电磁波在不同界面间散射产生损耗，同时高电导率以及表面所带官能团或缺陷有利于增大介电损耗。另外，相关工作已表明MoS₂也具有相当优秀的吸波性能。但石墨烯和MoS₂也存在一些共性问题，比如电磁参数匹配以及高温稳定性等。针对这些问题，在二维材料基础上构建合适的微结构与异质结是一条行之有效的途径。本工作在此背景上，设计并合成了多种基于MoS₂的混合维范德瓦尔斯异质结构，对其微波吸收性能进行了深入的研究。

首先我们利用两步法合成出了“201”型MoS2-Ni-碳纳米管混合维范德瓦尔斯异质结构（图一A）。其中Ni纳米颗粒充当了连接MoS₂和碳纳米管的桥梁。而碳纳米管的加入弥补了MoS₂本身电导率低的不足，提高了整体的介电损耗。

Figure1.  (A) SchematicIllustration of “201” MoS₂-Ni-CNTs fabrication process and microwaveabsorbing mechanism. RL curves of MoS₂-Ni-CNTs with minimum RL value(B) and maximum effective absorption bandwidth (C).

合成出来的“201”型混合维范德瓦尔斯异质结构具有优异的吸波性能（图一B和C）。经过进一步分析，我们发现这种优异的性能来源于三个方面（图一A）：1）碳纳米管的高电导损耗；2）Ni-MoS₂和Ni-碳纳米管之间的界面极化损耗；3）电磁波在高比表面积界面间多重的反射。这部分工作发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 31878-31886上。

在此基础上，我们继续合成并研究了三种不同维度的二元MoS₂基混合维范德瓦尔斯异质结构的电磁性质及吸波性能。这三种异质结分别为：1）2-0MoS₂-Ni纳米颗粒；2）2-1MoS₂-碳纳米管；3）2-3MoS₂-碳纳米片（图二）。

Figure2. Schematic illustration of 2 − 0 MoS₂ −Ni NPs, 2 – 1 MoS₂ − CNTs, and 2 − 3 MoS₂ −CLs fabricationprocesses.

通过控制合成条件，得到的三种异质结具有明显不同的微结构（图三）和电磁性质（图四）。这种电磁性质的差异主要来源于微结构的不同。由于吸波性能依赖于材料的电磁性质，所以我们通过可控合成可以调节异质结的吸波性能。除此之外，我们在这几种异质结中也得到了优异的吸波性能（表一）。

Figure3. TEM and HRTEM images of (A, B) 2 −0 MoS₂ −Ni NPs, (C, D) 2 −1 MoS₂−CNTs, and (E, F) 2 −3 MoS₂ −CLs.

Figure 4. Real part (ε ′, A) and imaginary part (ε ″, B) ofpermittivity and dielectric tangent loss values (tan δE, C). Real part (μ ′, D)and imaginary part (μ ″, E) of permeability and magnetic tangent loss values(tan δM, F) of 2 −0 MoS₂ −Ni NPs (filler loading ratio = 60 wt %), 2−1 MoS₂ –CNTs (filler loading ratio = 30 wt %), and 2 −3 MoS₂−CLs (filler loading ratio = 60 wt %)

Table 1. Summary of microwave absorption performanceof the samples listed above.

    该工作发表在ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 34243 −34255上。

    相关工作得到国家自然科学基金（11474151和11774156）和973项目（2012CB932304）的资助。

相关文章目录：

1） “Constructing Two‑, Zero‑,and One-Dimensional Integrated Nanostructures: an Effective Strategy for HighMicrowave Absorption Performance” ,Y. Sun, J.L. Xu, W. Qiao, X.B. Xu, W.L.Zhang, K.Y. Zhang, X. Zhang, X. Chen, W. Zhong,* Y.W. Du, ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 31878-31886 (2016)

2）“MoS₂-BasedMixed-Dimensional van der Waals Heterostructures: A New Platform for Excellentand Controllable Microwave-Absorption Performance”Y. Sun, W. Zhong*, Y.Q, Wang, X.B. Xu, T.T. Wang, L.Q. Wu, Y.W. Du, ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, 34243−34255 (2017)