一维多孔Fe3O4/ZnO基复合纳米结构的设计、合成及其多重电磁响应特性

本项目拟根据化学、材料学及电磁场理论，设计合成对高频电磁波具有多重响应特性的新型一维复合纳米结构。其中，一维多孔Fe3O4纳米结构为磁损耗层，ZnO为介电损耗层，SnO2和TiO2等对电磁损耗具有增强特性的氧化物为外层结构。通过调控ZnO层厚度以及确定各层界面的结合状态，研究电磁波在复合纳米材料中的传输、界面散射与弛豫、能量衰减等行为规律，揭示界面效应、尺寸效应及限域效应等对一维复合纳米材料电磁响应特性的影响，在微观层面上建立数值计算模型，揭示电磁参数在某些频段出现负值的可能性和条件，并预测复合纳米材料的电磁响应特性。制备不同浓度多孔磁性Fe3O4/ZnO基复合纳米结构介质薄膜，获取其电磁参数，在宏观层面上揭示多孔磁性Fe3O4/ZnO基复合纳米结构具有多重电磁响应特性的物理本质。通过本项研究，可以为新型纳米电磁功能材料的设计提供新的学术思想，为纳米复合材料在电磁领域中的应用提供科学依据。

利用化学和物理方法可控制备了一维磁性Fe3O4/ZnO基复合纳米结构，主要包括Fe3O4/SnO2/ZnO和Fe3O4/TiO2/ZnO一维纳米结构，并对其长度以及ZnO的厚度进行了调控；根据传输线理论，建立了数值计算模型，对复合结构的电磁特性进行了初步预测。其中，电磁参数的虚部实验值与数值模拟计算值的误差较小，实部在12-16 GHz频率范围内误差较小，在高频部分具有一致的规律性。故而，根据建立的模型可以较为准确地预测电磁参数的虚部以及高频部分的实部，而低频部分在应用中具有一定指导意义；制备了不同浓度Fe3O4/ZnO基多层复合纳米结构介质薄膜得到了它们的电磁参数，利用传输线公式进行了计算，得到了复合纳米材料对电磁波的衰减数据。从实验结果上给出了材料的电磁衰减特性的宏观机制，包括界面效应：在相同添加量的情况下，多层复合纳米结构比单一或两层材料的电磁衰减能力均有较大提高，表明界面的存在可以显著提高材料的电磁响应特性；尺寸效应：在相同添加量的情况下，一维复合纳米结构的长度越大，电磁衰减特性越强，表明较长的一维纳米结构有助于提升材料的电磁响应特性；导体材料的本征特性对电磁衰减特性的影响：实验结果表明氧化锡，二氧化钛和氧化锌对材料的电磁衰减特性作用依次增加。氧化锌是具有极性的离子半导体材料，在电磁场的作用下，可以引起离子极化，导致其具有较强的电磁衰减特性。因此，在设计电磁响应复合纳米结构时必须参照材料的本征物理特性。以上研究成果为电磁衰减材料的可控制备及优化设计提供了实验和理论基础，所制备的多层复合纳米结构在雷达波隐身方面具有潜在的应用前景。