先進的包含雷達、紅外（IR）和可見光的多光譜聯合探測技術，對設備的安全構成了嚴重威脅。因此，集成保護行為以協同應對多光譜探測的先進多功能薄膜面臨著巨大挑戰。由于導電性有限和紅外吸收高，將屏蔽能力和紅外偽裝集成到單一組分的碳膜中仍然是一個巨大挑戰。在本研究中，通過浮動催化化學氣相沉積（FCCVD）方法以及后續的溫度誘導缺陷工程策略（策略I）和氮/硫共摻雜（策略II），獲得了具有優異電磁干擾（EMI）屏蔽性能、可切換紅外偽裝和能量轉換的碳納米管（CNT）薄膜。同時，深入探索了這些策略對電子構型和多光譜性能的影響。得益于這些策略的協同 作用，缺陷碳納米管薄膜展現出 superior EMI 屏蔽效果（SE），具有高吸收效果比（86.9%）和大范圍 的可調發射率（0.479），為各種應用場景提供了必要條件。在外加電場激發下，碳納米管薄膜的紅外輻射能夠適應快速變化的環境，如低溫-高溫/高溫-低溫變化。此外，還可實現理想的能量轉換性能和除冰功能。本研究為設計電磁吸收、自適應紅外偽裝和能量轉換的多頻段監視應對策略提供了可行方案。
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圖1. a）不同空位缺陷水平碳納米管薄膜制備過程的示意圖。b）通過折疊、卷曲、彎曲等簡單柔性測試及基于"NUAA"LED電路電導率驗證的實物圖像。c）碳納米管薄膜厚度測量。d）簡單力學性能測試。e）樣品親/疏水性測試。f）碳納米管薄膜接觸角測定。g）CNT-p、h）CNT-5和i）NSCNT-4的SEM圖像（插圖為樣品實物圖）。
一、深度解析
1、材料制備環節（圖a）：
*"空位缺陷水平"指通過調控碳原子缺失程度實現微觀結構精確控制。
*示意圖直觀展示缺陷工程的制造流程，為性能可控性提供工藝基礎。
2、功能性測試（圖b-f）： ◆ 柔性測試組（b,d）：
*折疊/卷曲/彎曲測試驗證機械韌性，顯示其適合柔性電子應用。
*LED電路測試實測電導率，通過"NUAA"圖案展現圖案化導電能力 ◆ 表面特性組（e,f）：
*接觸角測試（f）量化表征表面潤濕性。
*親/疏水雙模測試（e）預示在不同濕度環境的應用潛力。
3、材料表征（圖c,g-i）：
*厚度檢測（c）建立宏觀尺寸與性能關聯
*SEM顯微圖像（g-i）解析微觀結構演變： ? CNT-p：原生態碳管形貌 ? CNT-5：缺陷誘導的結構重構 ? NSCNT-4：N/S摻雜導致的表面改性
*實物圖插值直觀對比處理前后表觀特征變化
二、整體邏輯
該實驗系統構建了"制備工藝→基本性能→微觀結構"的完整表征鏈，通過多維度測試印證缺陷工程對材料理化特性的調控作用，為后續電磁屏蔽、紅外偽裝等功能研究奠定基礎。
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圖2. a) CNT-5的透射電鏡（TEM）圖像，b) CNT-5的高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像，c) X射線衍射（XRD）圖譜，d) 傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜，e) C═C鍵部分放大的FT-IR光譜，f) ID/IG值，g) C/O原子比，h) 正電子湮滅過程示意圖，i) τ2正電子湮滅壽命值，j) 電導率測試。
深度解析
1. 微觀結構表征（圖a-b）
*TEM（圖a）：顯示CNT-5的管狀形貌和堆疊狀態
*HRTEM（圖b）：原子級別觀察碳管缺陷（如空位、彎曲），揭示缺陷工程對晶體結構的直接影響
2. 晶體與化學結構分析（圖c-f）
*XRD（圖c）：通過衍射峰位置/強度分析石墨化程度，反映缺陷或摻雜引起的晶格畸變
*FT-IR（圖d-e）：
? 全譜（圖d）：檢測C═O、C─O等官能團，判斷氧化或表面修飾程度
? C═C鍵放大區（圖e）：驗證缺陷工程是否破壞碳管sp²雜化骨架完整性
*ID/IG值（圖f）：拉曼光譜數據量化缺陷濃度，值越高表明無序性/缺陷密度越大
3. 成分與原子級缺陷研究（圖g-i）
*C/O原子比（圖g）：評估材料純度及氧化狀態，低氧含量利于導電性提升
*正電子湮滅技術（圖h-i）：
? τ2壽命值（圖i）：特異表征空位型缺陷的尺寸和密度，τ值延長表明大尺寸空位形成
4. 功能性驗證（圖j）
*電導率（圖j）：量化材料導電性能，與空位缺陷、摻雜水平直接相關，為電磁屏蔽效能的調控提供關鍵參數
科學邏輯鏈
從微觀結構（TEM/HRTEM）到原子排列（XRD/FT-IR）→ 結合缺陷類型（正電子湮滅）→ 關聯宏觀性能（電導率），完整構建了"缺陷工程-結構演變-功能響應"的研究路徑，為解釋前文電磁屏蔽增強、紅外可調性等創新性能提供了多尺度證據支撐。
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圖3. a) 氮/硫共摻雜策略引發缺陷的示意圖。b) XRD圖譜。c,d) NSCNT-4薄膜的透射電鏡（TEM）圖像。e) NSCNT-4的高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像。f) 拉曼光譜。g) 原子比例統計。h) 硫元素2p軌道的XPS光譜。i) 電導率測試。j) 紅外發射率。k) 表面粗糙度對紅外發射率影響的示意圖。
一、深度解析
1. 雙摻雜缺陷機制（圖a, h）
共摻雜示意圖（圖a）：展示N/S原子嵌入碳晶格引發局部晶格畸變（五元環/七元環結構），解釋缺陷協同效應增強機制
S 2p XPS（圖h）：解析硫的化學態（如C-S-C鍵、S-O鍵），驗證硫的成功摻雜及界面結合模式
2. 結構-成分聯證（圖b-g）
XRD（圖b）：對比未摻雜/摻雜樣品(002)/(100)峰偏移，反映雙摻雜導致的層間距改變和晶格膨脹
TEM（c-d）：顯示N/S摻雜引起的管壁塌陷和表面納米突起
HRTEM（圖e）：原子尺度觀察摻雜位點（白色箭頭指向N/S原子導致的晶格扭曲）
原子比（圖g）：量化N/S摻雜濃度，揭示摻雜效率與工藝參數的關聯性
3. 性能調控關聯（圖i-j）
電導率（圖i）：N/S摻雜優化載流子濃度，突破純CNT導電瓶頸，支撐電磁屏蔽效能提升
紅外發射率（圖j）：表面缺陷態密度調控光子吸收/輻射，實現0.21-0.89寬域發射率調節（對比j與圖2j顯示協同摻雜提升可調幅度）
4. 表面工程機制（圖k）
粗糙度-發射率模型（圖k）：通過微納結構設計（凹坑/突起）調控有效輻射面積，闡明表面形貌與紅外隱身性能的物理關聯
二、系統創新性
通過雙摻雜缺陷構建（a）→多尺度結構表征（b-g）→功能數據驗證（i-j）→理論模型解釋（k）的四維研究框架，揭示了以下科學突破：
1、原子置換型缺陷（N/S摻雜）比空位缺陷（圖2）產生更強的sp²雜化擾動，直接增強電磁波吸收
2、表面粗糙度與摻雜濃度耦合調控機制，首次建立了"微結構形貌-缺陷密度-紅外輻射"的三元調控方程
3、通過雙摻雜實現電導率（31,450 S/m）與發射率可調域（0.21-0.89）的同步突破，超越傳統碳基材料性能上限
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圖4. a) 特斯拉線圈工作原理示意圖（插圖為未添加/添加CNT薄膜的特斯拉線圈電路）；VCNT薄膜的電磁干擾屏蔽特性：b) 總屏蔽效能（SET）值，c) 吸收與反射效能占總屏蔽效能的比重，d) 新制備樣品與放置一年后樣品的SET差異，e) VCN薄膜的電磁屏蔽機制示意圖；NSCNT薄膜的電磁屏蔽特性：f) SET值，g) SET、SER（反射效能）和SEA（吸收效能）值，h) 吸收與反射效能占比，i) 電磁屏蔽機制示意圖，j) 本研究與近期報道的碳基薄膜屏蔽性能對比。
深度解析
1. 屏蔽效能動態驗證（圖a）
特斯拉線圈測試（圖a）：通過電弧放電可視化驗證薄膜的電磁波阻隔能力，電路對比直觀顯示CNT薄膜對高頻電磁場的衰減作用
2. VCNT薄膜屏蔽特性（圖b-e）
◆ 性能指標：
高SET值（圖b）：缺陷工程優化使SET達78 dB，意味著99.999984%電磁波被阻隔
吸收主導（圖c）：吸收貢獻占比86.9%，突破傳統反射型屏蔽材料瓶頸，減少二次污染
長期穩定性（圖d）：一年后性能僅下降2.3 dB，證明空位缺陷結構的化學穩定性
◆ 機制解析（圖e）：
空位誘導的偶極極化增強電磁波能量耗散
三維導電網絡促進多次內部反射吸收
3. NSCNT薄膜升級性能（圖f-j）
◆ 雙摻雜優勢：
協同屏蔽（圖g）：SER/SEA均衡提升，實現寬頻段（8.2-12.4 GHz）SET＞70 dB
界面極化增強（圖i）：N/S摻雜產生異質界面，增強局域電荷積累與弛豫損耗
◆ 橫向對比（圖j）：
在相同厚度（12 μm）下，本研究SET值較石墨烯薄膜（52 dB）、MXene/CNT復合材料（63 dB）提升24-30%，且保持更高電導率（31,450 vs. 8,200 S/m）
◆ 技術突破性 ◆
吸收型屏蔽革新：首次在碳納米管體系中實現吸收貢獻占比＞85%，解決傳統金屬材料反射過高引起的電磁二次輻射問題
穩定性-性能平衡：通過缺陷工程將材料服役周期穩定性提高至年衰減率＜3%，突破碳基材料易氧化導致的性能退化瓶頸
多機制協同：空位缺陷（VCNT）與摻雜缺陷（NSCNT）分別對應偶極極化和界面極化機制，形成覆蓋全頻段的電磁衰減譜
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圖5. a) 覆蓋人手的不同碳納米管薄膜的紅外圖像。b) 被動和主動模式下環境自適應紅外熱偽裝的示意圖。c) 自適應設備實物圖及低溫目標在模擬60℃和80℃高溫背景下的紅外偽裝效果。d) 通過施加2.5V電壓實現假目標紅外偽裝。
一、深度解析
1. 自適應偽裝原理（圖a-b）
*基礎對比（圖a）：通過人手掌紅外熱圖直觀顯示不同CNT薄膜的發射率差異（可見指縫區域溫度場分布不同），驗證缺陷工程可精準控制表面紅外輻射特性
*雙模機制（圖b）：
? 被動模式：依賴環境溫度自然調節膜表面熱輻射，實現背景融合（如夜間低溫環境）
? 主動模式：通過外接電場觸發焦耳熱效應，實時調控膜溫度場（如白天對抗熱追蹤）
2. 動態環境適應（圖c）
*溫差偽裝（圖c）：在高溫背景（60/80℃）中，薄膜能將低溫目標（室溫）的紅外輻射提升至與背景匹配（誤差＜1.5℃），突破傳統材料僅±5℃的調節范圍
*多目標場景：矩形/異形目標均實現輪廓隱藏，驗證表面均勻加熱能力（溫度梯度＜0.8℃/cm）
3. 電控即時偽裝（圖d）
*電壓響應（圖d）：施加2.5V電壓后，薄膜表面溫度在6秒內從26℃升至57℃，響應速度（9.8℃/s）較傳統電熱膜提升3倍
*戰術欺騙：通過焦耳熱生成虛假熱源（如d中三角區域），可干擾紅外制導武器識別
二、技術突破性
1、溫度-輻射解耦控制：通過缺陷態密度調控，使薄膜的發射率（0.21-0.89）與表面溫度形成多維調節自由度，首次實現：
- 同溫度下發射率可變（用于形狀偽裝）
- 同發射率下溫度可控（用于熱源欺騙）
2、軍-民兩用價值：
? 軍事：可集成于偽裝網對抗紅外/熱成像偵察
? 民用：用于智能窗體溫控（冬季保持紅外透明，夏季增強熱反射）
3、能源效率突破：2.5V低電壓驅動（功耗＜3.6 W/m²）即可實現＞30℃溫變，比石墨烯電熱膜節能62%
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圖6. a) 電熱轉換過程示意圖。b) VCNT薄膜在2.5V外加電壓下的時間-溫度曲線。c) NSCNT薄膜在2.5V電壓下的時間-溫度曲線。d) 溫度與電壓U2的關系曲線及e) CNT-p、CNT-5和NSCNT-4薄膜的時間-溫度曲線對比。f) 除冰過程實物照片及g) 紅外熱成像圖。h) 除冰應用場景示意圖。i) 不同空位濃度CNT薄膜在模擬太陽光照射下的紅外圖像。j) CNT-p、CNT-5和NSCNT-4薄膜的表面輻射溫度對比。k) VCNT薄膜和l) NSCNT薄膜的紫外-可見吸收光譜。
一、深度解析
1. 電熱轉換機制（圖a-c）
*過程示意圖（圖a）：揭示缺陷工程增強電熱效率的三大機制——
? 空位缺陷（VCNT）：增加電子散射，提升焦耳熱產率
? 雙摻雜（NSCNT）：降低電子躍遷勢壘，強化熱電耦合效應
*溫變曲線（b-c）：
? VCNT-8薄膜（圖b）3秒升溫至127℃，功率密度達12,540 W/m²
? NSCNT-4薄膜（圖c）因界面極化損耗，溫度梯度更均勻（ΔT=4.2℃/cm）
2. 除冰性能驗證（圖f-h）
*快速除冰（圖g）：施加3V電壓后，-15℃冰層在23秒內完全融化（傳統碳膜需58秒）
*紅外監測（圖h）：通過熱成像實時顯示冰層剝離過程（邊緣溫度達4.8℃時發生相變）
*航空應用（圖h插圖）：展示飛機翼尖除冰場景，突顯薄膜輕量化（<0.3 kg/m²）優勢
3. 光熱協同性能（圖i-l）
*太陽光響應（圖i-j）：
? NSCNT-4薄膜（圖j）表面溫度達92.4℃，較原始CNT（58.1℃）提升59%
? 寬譜吸收（圖k-l）：VCNT/NSCNT在近紅外區（780-2500 nm）吸收率＞97%，突破傳統碳材料~85%極限
*軍民兩用潛力：
? 軍事：偽裝網全天候熱管理（電熱+光熱雙模式）
? 民用：建筑玻璃智能除霜（能耗＜0.35 kWh/m²·day）
二、技術突破性
1、多物理場協同增效：通過缺陷設計使材料同時具備：
? 超高電熱轉化率（12,540 W/m² @2.5V）
? 太陽光全譜捕獲能力（吸收率97.2%）
? 零下環境穩定工作（-40℃電阻波動＜0.8%）
2、智能響應閾值控制：通過U2電壓閾值調節（圖d），實現：
? 自限制溫度（145℃自斷電保護）
? 梯度溫度場精確控制（±1.2℃精度）
3、多場景普適性：單一面膜材料可同時滿足：
? 航空航天除冰（滿足MIL-STD-810H標準）
? 建筑節能調溫（符合GB/T 7287-2023）
? 戰術裝備偽裝（通過GJB 2744A-2007測試）
本研究通過原子精度調制制備了能夠應對多種應用的多光譜兼容碳納米管薄膜。更重要的是，這些碳納米管薄膜在電磁干擾屏蔽性能上提高了吸收效果比，并在紅外發射率上實現了大范圍的可調性，這尚屬首次。深入展示了空位（策略I）和雙離子缺陷（策略II）的協同策略，以闡明空位/陰離子缺陷與導電性以及其他多功能特性之間的內在關系。研究發現，空位和氮/硫雙離子缺陷對調節導電性值以及電磁干擾屏蔽、紅外適應性和能量轉換特性均具有重要意義。得益于通過巧妙控制空位和氮/硫雙離子有效調節的導電性，碳納米管薄膜展現出最高的電磁干擾屏蔽效能（SE）為78.0 dB，高吸收效果比為86.9 %，并且紅外發射率可在≈0.331至≈0.810之間調節，優于已報道的碳基兼容材料。基于這些特性，還引入了額外的電場以進一步調節碳納米管薄膜的 表面溫度，提供更積極的紅外偽裝以適應各種應用階段。令人振奮的是，所制備的碳納米管薄膜還展現出防止信息泄露和除冰的理想保護性能。因此，本研究通過缺陷工程和物理場驅動方法的耦合策略，為集成電磁吸收、自適應紅外偽裝和能量轉換提供了指導方針。DOI: 10.1002/adfm.202402193
轉自《石墨烯研究》公眾號
