先進(jìn)的包含雷達(dá)、紅外（IR）和可見光的多光譜聯(lián)合探測技術(shù)，對設(shè)備的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，集成保護(hù)行為以協(xié)同應(yīng)對多光譜探測的先進(jìn)多功能薄膜面臨著巨大挑戰(zhàn)。由于導(dǎo)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(gè)巨大挑戰(zhàn)。在本研究中，通過浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積（FCCVD）方法以及后續(xù)的溫度誘導(dǎo)缺陷工程策略（策略I）和氮/硫共摻雜（策略II），獲得了具有優(yōu)異電磁干擾（EMI）屏蔽性能、可切換紅外偽裝和能量轉(zhuǎn)換的碳納米管（CNT）薄膜。同時(shí)，深入探索了這些策略對電子構(gòu)型和多光譜性能的影響。得益于這些策略的協(xié)同 作用，缺陷碳納米管薄膜展現(xiàn)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(diào)發(fā)射率（0.479），為各種應(yīng)用場景提供了必要條件。在外加電場激發(fā)下，碳納米管薄膜的紅外輻射能夠適應(yīng)快速變化的環(huán)境，如低溫-高溫/高溫-低溫變化。此外，還可實(shí)現(xiàn)理想的能量轉(zhuǎn)換性能和除冰功能。本研究為設(shè)計(jì)電磁吸收、自適應(yīng)紅外偽裝和能量轉(zhuǎn)換的多頻段監(jiān)視應(yīng)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(dǎo)率驗(yàn)證的實(shí)物圖像。c）碳納米管薄膜厚度測量。d）簡單力學(xué)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(shí)物圖）。
一、深度解析
1、材料制備環(huán)節(jié)（圖a）：
*"空位缺陷水平"指通過調(diào)控碳原子缺失程度實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)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(chǔ)。
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(yàn)證機(jī)械韌性，顯示其適合柔性電子應(yīng)用。
*LED電路測試實(shí)測電導(dǎo)率，通過"NUAA"圖案展現(xiàn)圖案化導(dǎo)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(yù)示在不同濕度環(huán)境的應(yīng)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(guān)聯(lián)
*SEM顯微圖像（g-i）解析微觀結(jié)構(gòu)演變： ? CNT-p：原生態(tài)碳管形貌 ? CNT-5：缺陷誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)重構(gòu) ? NSCNT-4：N/S摻雜導(dǎo)致的表面改性
*實(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建了"制備工藝→基本性能→微觀結(jié)構(gòu)"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(diào)控作用，為后續(xù)電磁屏蔽、紅外偽裝等功能研究奠定基礎(chǔ)。
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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(dǎo)率測試。
深度解析
1. 微觀結(jié)構(gòu)表征（圖a-b）
*TEM（圖a）：顯示CNT-5的管狀形貌和堆疊狀態(tài)
*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(jié)構(gòu)的直接影響
2. 晶體與化學(xué)結(jié)構(gòu)分析（圖c-f）
*XRD（圖c）：通過衍射峰位置/強(qiáng)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(tuán)，判斷氧化或表面修飾程度
? C═C鍵放大區(qū)（圖e）：驗(yàn)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(shù)據(jù)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(tài)，低氧含量利于導(dǎo)電性提升
*正電子湮滅技術(shù)（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(yàn)證（圖j）
*電導(dǎo)率（圖j）：量化材料導(dǎo)電性能，與空位缺陷、摻雜水平直接相關(guān)，為電磁屏蔽效能的調(diào)控提供關(guān)鍵參數(shù)
科學(xué)邏輯鏈
從微觀結(jié)構(gòu)（TEM/HRTEM）到原子排列（XRD/FT-IR）→ 結(jié)合缺陷類型（正電子湮滅）→ 關(guān)聯(lián)宏觀性能（電導(dǎo)率），完整構(gòu)建了"缺陷工程-結(jié)構(gòu)演變-功能響應(yīng)"的研究路徑，為解釋前文電磁屏蔽增強(qiáng)、紅外可調(diào)性等創(chuàng)新性能提供了多尺度證據(jù)支撐。
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圖3. a) 氮/硫共摻雜策略引發(fā)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(tǒng)計(jì)。h) 硫元素2p軌道的XPS光譜。i) 電導(dǎo)率測試。j) 紅外發(fā)射率。k) 表面粗糙度對紅外發(fā)射率影響的示意圖。
一、深度解析
1. 雙摻雜缺陷機(jī)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(fā)局部晶格畸變（五元環(huán)/七元環(huán)結(jié)構(gòu)），解釋缺陷協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)機(jī)制
S 2p XPS（圖h）：解析硫的化學(xué)態(tài)（如C-S-C鍵、S-O鍵），驗(yàn)證硫的成功摻雜及界面結(jié)合模式
2. 結(jié)構(gòu)-成分聯(lián)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(dǎo)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(diǎn)（白色箭頭指向N/S原子導(dǎo)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(shù)的關(guān)聯(lián)性
3. 性能調(diào)控關(guān)聯(lián)（圖i-j）
電導(dǎo)率（圖i）：N/S摻雜優(yōu)化載流子濃度，突破純CNT導(dǎo)電瓶頸，支撐電磁屏蔽效能提升
紅外發(fā)射率（圖j）：表面缺陷態(tài)密度調(diào)控光子吸收/輻射，實(shí)現(xiàn)0.21-0.89寬域發(fā)射率調(diào)節(jié)（對比j與圖2j顯示協(xié)同摻雜提升可調(diào)幅度）
4. 表面工程機(jī)制（圖k）
粗糙度-發(fā)射率模型（圖k）：通過微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（凹坑/突起）調(diào)控有效輻射面積，闡明表面形貌與紅外隱身性能的物理關(guān)聯(lián)
二、系統(tǒng)創(chuàng)新性
通過雙摻雜缺陷構(gòu)建（a）→多尺度結(jié)構(gòu)表征（b-g）→功能數(shù)據(jù)驗(yàn)證（i-j）→理論模型解釋（k）的四維研究框架，揭示了以下科學(xué)突破：
1、原子置換型缺陷（N/S摻雜）比空位缺陷（圖2）產(chǎn)生更強(qiáng)的sp²雜化擾動(dòng)，直接增強(qiáng)電磁波吸收
2、表面粗糙度與摻雜濃度耦合調(diào)控機(jī)制，首次建立了"微結(jié)構(gòu)形貌-缺陷密度-紅外輻射"的三元調(diào)控方程
3、通過雙摻雜實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率（31,450 S/m）與發(fā)射率可調(diào)域（0.21-0.89）的同步突破，超越傳統(tǒng)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(jī)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(jī)制示意圖，j) 本研究與近期報(bào)道的碳基薄膜屏蔽性能對比。
深度解析
1. 屏蔽效能動(dòng)態(tài)驗(yàn)證（圖a）
特斯拉線圈測試（圖a）：通過電弧放電可視化驗(yàn)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(biāo)：
高SET值（圖b）：缺陷工程優(yōu)化使SET達(dá)78 dB，意味著99.999984%電磁波被阻隔
吸收主導(dǎo)（圖c）：吸收貢獻(xiàn)占比86.9%，突破傳統(tǒng)反射型屏蔽材料瓶頸，減少二次污染
長期穩(wěn)定性（圖d）：一年后性能僅下降2.3 dB，證明空位缺陷結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性
◆ 機(jī)制解析（圖e）：
空位誘導(dǎo)的偶極極化增強(qiáng)電磁波能量耗散
三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)多次內(nèi)部反射吸收
3. NSCNT薄膜升級性能（圖f-j）
◆ 雙摻雜優(yōu)勢：
協(xié)同屏蔽（圖g）：SER/SEA均衡提升，實(shí)現(xiàn)寬頻段（8.2-12.4 GHz）SET＞70 dB
界面極化增強(qiáng)（圖i）：N/S摻雜產(chǎn)生異質(zhì)界面，增強(qiáng)局域電荷積累與弛豫損耗
◆ 橫向?qū)Ρ龋▓Dj）：
在相同厚度（12 μm）下，本研究SET值較石墨烯薄膜（52 dB）、MXene/CNT復(fù)合材料（63 dB）提升24-30%，且保持更高電導(dǎo)率（31,450 vs. 8,200 S/m）
◆ 技術(shù)突破性 ◆
吸收型屏蔽革新：首次在碳納米管體系中實(shí)現(xiàn)吸收貢獻(xiàn)占比＞85%，解決傳統(tǒng)金屬材料反射過高引起的電磁二次輻射問題
穩(wěn)定性-性能平衡：通過缺陷工程將材料服役周期穩(wěn)定性提高至年衰減率＜3%，突破碳基材料易氧化導(dǎo)致的性能退化瓶頸
多機(jī)制協(xié)同：空位缺陷（VCNT）與摻雜缺陷（NSCNT）分別對應(yīng)偶極極化和界面極化機(jī)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(dòng)和主動(dòng)模式下環(huán)境自適應(yīng)紅外熱偽裝的示意圖。c) 自適應(yīng)設(shè)備實(shí)物圖及低溫目標(biāo)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(shí)現(xiàn)假目標(biāo)紅外偽裝。
一、深度解析
1. 自適應(yīng)偽裝原理（圖a-b）
*基礎(chǔ)對比（圖a）：通過人手掌紅外熱圖直觀顯示不同CNT薄膜的發(fā)射率差異（可見指縫區(qū)域溫度場分布不同），驗(yàn)證缺陷工程可精準(zhǔn)控制表面紅外輻射特性
*雙模機(jī)制（圖b）：
? 被動(dòng)模式：依賴環(huán)境溫度自然調(diào)節(jié)膜表面熱輻射，實(shí)現(xiàn)背景融合（如夜間低溫環(huán)境）
? 主動(dòng)模式：通過外接電場觸發(fā)焦耳熱效應(yīng)，實(shí)時(shí)調(diào)控膜溫度場（如白天對抗熱追蹤）
2. 動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)（圖c）
*溫差偽裝（圖c）：在高溫背景（60/80℃）中，薄膜能將低溫目標(biāo)（室溫）的紅外輻射提升至與背景匹配（誤差＜1.5℃），突破傳統(tǒng)材料僅±5℃的調(diào)節(jié)范圍
*多目標(biāo)場景：矩形/異形目標(biāo)均實(shí)現(xiàn)輪廓隱藏，驗(yàn)證表面均勻加熱能力（溫度梯度＜0.8℃/cm）
3. 電控即時(shí)偽裝（圖d）
*電壓響應(yīng)（圖d）：施加2.5V電壓后，薄膜表面溫度在6秒內(nèi)從26℃升至57℃，響應(yīng)速度（9.8℃/s）較傳統(tǒng)電熱膜提升3倍
*戰(zhàn)術(shù)欺騙：通過焦耳熱生成虛假熱源（如d中三角區(qū)域），可干擾紅外制導(dǎo)武器識(shí)別
二、技術(shù)突破性
1、溫度-輻射解耦控制：通過缺陷態(tài)密度調(diào)控，使薄膜的發(fā)射率（0.21-0.89）與表面溫度形成多維調(diào)節(jié)自由度，首次實(shí)現(xiàn)：
- 同溫度下發(fā)射率可變（用于形狀偽裝）
- 同發(fā)射率下溫度可控（用于熱源欺騙）
2、軍-民兩用價(jià)值：
? 軍事：可集成于偽裝網(wǎng)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(qiáng)熱反射）
3、能源效率突破：2.5V低電壓驅(qū)動(dòng)（功耗＜3.6 W/m²）即可實(shí)現(xiàn)＞30℃溫變，比石墨烯電熱膜節(jié)能62%
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圖6. a) 電熱轉(zhuǎn)換過程示意圖。b) VCNT薄膜在2.5V外加電壓下的時(shí)間-溫度曲線。c) NSCNT薄膜在2.5V電壓下的時(shí)間-溫度曲線。d) 溫度與電壓U2的關(guān)系曲線及e) CNT-p、CNT-5和NSCNT-4薄膜的時(shí)間-溫度曲線對比。f) 除冰過程實(shí)物照片及g) 紅外熱成像圖。h) 除冰應(yīng)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(zhuǎn)換機(jī)制（圖a-c）
*過程示意圖（圖a）：揭示缺陷工程增強(qiáng)電熱效率的三大機(jī)制——
? 空位缺陷（VCNT）：增加電子散射，提升焦耳熱產(chǎn)率
? 雙摻雜（NSCNT）：降低電子躍遷勢壘，強(qiáng)化熱電耦合效應(yīng)
*溫變曲線（b-c）：
? VCNT-8薄膜（圖b）3秒升溫至127℃，功率密度達(dá)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(yàn)證（圖f-h）
*快速除冰（圖g）：施加3V電壓后，-15℃冰層在23秒內(nèi)完全融化（傳統(tǒng)碳膜需58秒）
*紅外監(jiān)測（圖h）：通過熱成像實(shí)時(shí)顯示冰層剝離過程（邊緣溫度達(dá)4.8℃時(shí)發(fā)生相變）
*航空應(yīng)用（圖h插圖）：展示飛機(jī)翼尖除冰場景，突顯薄膜輕量化（<0.3 kg/m²）優(yōu)勢
3. 光熱協(xié)同性能（圖i-l）
*太陽光響應(yīng)（圖i-j）：
? NSCNT-4薄膜（圖j）表面溫度達(dá)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(qū)（780-2500 nm）吸收率＞97%，突破傳統(tǒng)碳材料~85%極限
*軍民兩用潛力：
? 軍事：偽裝網(wǎng)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(shù)突破性
1、多物理場協(xié)同增效：通過缺陷設(shè)計(jì)使材料同時(shí)具備：
? 超高電熱轉(zhuǎn)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(huán)境穩(wěn)定工作（-40℃電阻波動(dòng)＜0.8%）
2、智能響應(yīng)閾值控制：通過U2電壓閾值調(diào)節(jié)（圖d），實(shí)現(xiàn)：
? 自限制溫度（145℃自斷電保護(hù)）
? 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(shí)滿足：
? 航空航天除冰（滿足MIL-STD-810H標(biāo)準(zhǔn)）
? 建筑節(jié)能調(diào)溫（符合GB/T 7287-2023）
? 戰(zhàn)術(shù)裝備偽裝（通過GJB 2744A-2007測試）
本研究通過原子精度調(diào)制制備了能夠應(yīng)對多種應(yīng)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(fā)射率上實(shí)現(xiàn)了大范圍的可調(diào)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(xié)同策略，以闡明空位/陰離子缺陷與導(dǎo)電性以及其他多功能特性之間的內(nèi)在關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，空位和氮/硫雙離子缺陷對調(diào)節(jié)導(dǎo)電性值以及電磁干擾屏蔽、紅外適應(yīng)性和能量轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)的導(dǎo)電性，碳納米管薄膜展現(xiàn)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(fā)射率可在≈0.331至≈0.810之間調(diào)節(jié)，優(yōu)于已報(bào)道的碳基兼容材料?；谶@些特性，還引入了額外的電場以進(jìn)一步調(diào)節(jié)碳納米管薄膜的 表面溫度，提供更積極的紅外偽裝以適應(yīng)各種應(yīng)用階段。令人振奮的是，所制備的碳納米管薄膜還展現(xiàn)出防止信息泄露和除冰的理想保護(hù)性能。因此，本研究通過缺陷工程和物理場驅(qū)動(dòng)方法的耦合策略，為集成電磁吸收、自適應(yīng)紅外偽裝和能量轉(zhuǎn)換提供了指導(dǎo)方針。DOI: 10.1002/adfm.202402193
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
