过渡金属掺杂诱导的FeTe电子结构变化，从而增强其对电磁波的吸收能力

《Nano Energy》：Transition-metal doping induced electronic structure modulation of FeTe for enhanced electromagnetic wave absorption

通过一锅化学气相沉积法合成Fe???M?Te纳米片，原子均匀掺杂实现电磁性能调控。实验表明，Mn掺杂FeTe?.???Mn?.???Te在1.4 mm厚度下达到-55.5 dB反射损耗和5 GHz有效吸收带宽，DFT计算揭示极化损耗与导电损耗协同增强机制。

　　

郭子阳|秦丽媛|傅龙毅|刘瑞斌|周家东

北京工业大学物理学院，中国北京100081

摘要

通过异质原子掺杂来调节局部电子结构是一种提高极化损耗和电磁波（EMW）吸收能力的有效策略。然而，阐明异质原子如何在原子尺度上操控电磁特性的机制仍然是一个挑战。在本研究中，我们通过一步化学气相沉积（CVD）工艺合成了系列Fe_1-xM_xTe（M = Cr, Mn, Co, Ni）纳米片。原子分辨率电子显微镜和X射线吸收光谱证实，通过取代掺杂在Fe位点实现了过渡金属（TM）原子的原子级均匀分布。优化的Fe_0.990Mn_0.010Te样品表现出优异的EMW吸收性能，在厚度仅为1.4毫米的情况下，实现了最低反射损耗（RL_min）为-55.5 dB和有效吸收带宽（EAB）为5.0 GHz。密度泛函理论（DFT）计算表明，掺杂有效地调节了电子导电性，同时产生了大量的极化中心并增加了晶格中的偶极位点密度。这些协同效应促进了优化的介电损耗机制，从而显著增强了EMW的衰减效果。本研究强调了掺杂工程的关键作用，并建立了原子结构调制与宏观功能之间的明确跨尺度关联，为高效吸收器的合理设计提供了基础性见解。

引言

通信技术的快速发展彻底改变了信息交流方式，加速了智能设备的普及。然而，随之而来的电磁辐射污染问题日益严重，对国家安全和人类健康构成了严重威胁[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。因此，开发高性能的电磁波（EMW）吸收材料变得至关重要。最近，二维（2D）过渡金属碲化物（TMTs）因其独特的自旋极化电子结构、内在铁磁性和拓扑量子态而受到越来越多的关注[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。例如Fe₃GeTe₂、Cr₅Te₈和CoTe₂等材料已被成功集成到EMW吸收系统中，其电磁响应能力通过能带结构工程和缺陷调控策略得到了有效优化[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。值得注意的是，作为TMT家族的代表性成员，FeTe具有原子级平坦的表面、高电导率、可调的电子结构以及内在的自旋极化，因此成为原子级调控介电松弛行为的理想平台[16]、[17]、[18]、[19]。先前的研究通过构建FeTe@膨胀石墨异质结构和引入结合Te空位与O掺杂的双缺陷设计等方法，减轻了FeTe固有的介电松弛现象[20]、[21]。然而，由多个活性位点引起的介电损耗具有复杂的物理起源，掩盖了原子配置与电磁功能之间的跨尺度关联。构建具有最小机制干扰的原子模型是阐明这一内在关联并将材料性能从不可预测转变为可设计的关键步骤。

作为2D材料中最稳定和技术最成熟的调制策略之一，异质原子掺杂能够实现原子尺度的结构修改，从根本上重塑局部协调环境和内在物理性质[22]、[23]、[24]、[25]。例如，周等人将磁性掺杂剂Co引入单层MoS₂，通过掺杂诱导的内禀磁矩实现了能隙塞曼分裂调制[26]。Bouzid等人在Mn掺杂的SnS₂单晶中观察到了多种磁相，不同的掺杂浓度导致了铁磁性和反铁磁性的共存，并伴随着明显的磁各向异性[27]。杨等人通过盐辅助化学气相沉积方法合成了含有2H和3R相的V掺杂双层MoS₂，其中3R相表现出更强的层间耦合和更高的载流子迁移率[28]。除了这些效应外，掺杂还可以诱导电子云的重新分布，有效调节局部电荷密度，并生成增强极化损耗和EMW吸收的掺杂诱导偶极位点[29]、[30]。代表性例子包括Co掺杂的SiC纳米线、Ni掺杂的ZnCo₂O₄和N掺杂的碳夹层纳米管[31]、[32]、[33]。理论上，通过异质原子掺杂工程可以建立微观结构与宏观功能之间的广泛映射关系。然而，阐明FeTe中异质原子如何控制EMW机制并操控电磁特性仍然是一个巨大的挑战。

在这项工作中，我们展示了通过一步化学气相沉积（CVD）工艺成功将过渡金属（TM）原子掺入FeTe纳米片中的过程。通过像差校正透射电子显微镜（AC-TEM）和X射线吸收光谱（XAS）表征了Fe_1-xM_xTe（M = Cr, Mn, Co, Ni）的原子结构和化学状态。通过优化掺杂种类和浓度，实现了电子结构的精确调节，有效增强了极化损耗能力，显著提高了EMW吸收性能。因此，Fe_0.990Mn_0.010Te在厚度为1.4毫米的情况下，实现了最低反射损耗（RL_min）为-55.5 dB和有效吸收带宽（EAB）为5.0 GHz，同时雷达截面（RCS）减少了36.9 dB·m²，显示出出色的EMW吸收和隐身能力。密度泛函理论（DFT）计算表明，Fe_1-xM_xTe的增强介电性能源于由大量局域电偶极子引起的更强偶极极化，以及由更高态密度引起的增加的导电损耗。本研究阐明了掺杂工程如何优化FeTe的EMW吸收性能，为先进电磁功能材料的合理设计提供了宝贵的指导。

材料

碲（Te）粉末购自北京银诺凯科技有限公司（中国北京），而氯化铬（CrCl₃）、氯化锰（MnCl₂）、氯化铁（FeCl₂）、氯化钴（CoCl₂）和氯化镍（NiCl₂则从北京安爱吉化学试剂有限公司获得。所有试剂均为分析级，未经进一步纯化即可使用。

FeTe和Fe_1-xM_xTe的合成

纯FeTe和过渡金属掺杂的Fe_1-xM_xTe是通过使用FeCl₂和Te通过CVD方法合成的

FeTe和Fe_1-xM_xTe的合成与表征

图1a示意性地展示了用于合成四方相FeTe和Fe_1-xM_xTe（M = Cr, Mn, Co, Ni）晶体的CVD过程。典型的2D FeTe纳米片的光学显微镜图像显示出清晰的形态，表明其具有高结晶度（图1b）。为了进一步研究其原子结构，进行了AC-TEM测试。沿[001]方向轴的AC-TEM图像显示了p4g对称性（图1c），而放大图像清楚地展示了Fe的交替有序排列

结论

总结来说，我们通过一步CVD工艺成功合成了一系列掺杂了TM原子的Fe_1-xM_xTe纳米片。AC-TEM和XAS证实，异质原子取代了晶格中的Fe位点，形成了原子级均匀的分布。实验和理论分析均表明，TM原子的掺入引起了局部电荷的重新分布，提高了载流子迁移率，并产生了大量的局域偶极子，从而显著增强了极化损耗能力。

CRediT作者贡献声明

周家东：撰写 – 审稿与编辑，监督。 刘瑞斌：资源准备。 傅龙毅：形式分析。 秦丽媛：撰写 – 初稿。 郭子阳：撰写 – 初稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。