二维电磁材料

特色研究报告：低维电磁功能材料研究进展摘要：电磁功能材料在军事隐身、信息对抗等国防军工以及电磁辐射防护、微波通信等民用技术领域有着广阔的应用前景。

特别是，低维电磁功能材料具有独特的电磁特性，在电磁波吸收与屏蔽、通信与成像、传感与检测等方面受到越来越多的关注。

总结了曹茂盛研究小组在低维电磁功能材料方面取得的重要研究进展，主要包括碳纳米管、石墨烯、碳化硅、氧化锌、过渡金属及其化合物、多铁材料等。

系统论述了低维材料的电磁响应，包括电荷输运、偶极极化、磁共振、磁涡流等。

重点总结了在电磁响应方面提出的重要的模型和公式，包括电子跳跃（EHP）模型、聚集诱导电荷输运（AICT）模型、类电容结构、等效电路模型以及等效串联电路方程和电导网络方程等。

揭示了低维材料电磁响应与电磁屏蔽和吸收之间的重要联系，即电磁能量转换机制，包括极化弛豫和电荷输运协同竞争机制以及界面散射、微电流、微天线辐射和介质弛豫的竞争协同作用等。

最后，深入剖析了该领域的发展进程，提出了该领域面临的重大挑战，并预测了未来的研究方向。

关键词：低维材料；电磁响应；能量转换；电磁特性；电磁屏蔽；微波吸收电磁功能材料支撑着电子科学和信息工程的发展，是信息、通讯、能源、医学、航空航天、军事等各个领域技术研发的重要基础。

例如，超长波（λ=104～105 m）导航系统可用于海上定位和通信；中短波（λ=1～103 m）手机收发器能让我们足不出户便知天下事；太赫兹、红外及X射线探测器和成像装置被广泛应用于医疗检测和军事装备领域。

随着科学技术的发展，高性能电磁功能材料研发将成为今后科学界新的研究热点之一，未来电磁功能材料和器件的创新将给人类带来更多意想不到的惊喜。

低维电磁功能材料的研发推动了全球高新技术领域的进步。

新的物理效应，新的电磁响应机制和电磁性能，新的低维材料以及多元化、微小型化和智能化的新型电磁器件，为电磁波吸收与屏蔽、探测与传感、成像、开关与滤波、光学与光电等领域的发展带来了无限的活力。

电磁屏蔽材料的分类电磁屏蔽材料是指一类能够阻挡电磁波传播的材料。

它们被广泛应用于电子设备、航空航天、军事装备等领域中。

根据其性质和用途的不同，电磁屏蔽材料可以分为以下几类。

1. 金属屏蔽材料金属屏蔽材料是指由金属制成的材料，如铜、铝、镍等。

这些金属具有良好的导电性和导热性，能够有效地吸收和反射电磁波，从而实现屏蔽的效果。

常见的金属屏蔽材料有金属箔、金属网、金属板等。

它们广泛应用于电子设备和电磁波屏蔽领域。

2. 金属氧化物屏蔽材料金属氧化物屏蔽材料是指由金属氧化物制成的材料，如氧化铁、氧化铜、氧化锌等。

这些材料具有良好的导电性和磁性，能够有效地吸收和反射电磁波，从而实现屏蔽的效果。

常见的金属氧化物屏蔽材料有氧化铁磁性材料、氧化铜和氧化锌等。

它们广泛应用于雷达、卫星通信、电子设备等领域。

3. 导电聚合物屏蔽材料导电聚合物屏蔽材料是指由导电聚合物制成的材料，如聚苯胺、聚乙烯基苯乙烯、聚苯乙烯等。

这些材料具有良好的导电性和导热性，能够有效地吸收和反射电磁波，从而实现屏蔽的效果。

常见的导电聚合物屏蔽材料有聚苯胺、聚乙烯基苯乙烯和聚苯乙烯等。

它们广泛应用于电子设备和电磁波屏蔽领域。

4. 磁性屏蔽材料磁性屏蔽材料是指由磁性材料制成的材料，如铁、镍、钴等。

这些材料具有良好的磁性和导热性，能够有效地吸收和反射电磁波，从而实现屏蔽的效果。

常见的磁性屏蔽材料有铁、镍和钴等。

它们广泛应用于雷达、卫星通信、电子设备等领域。

5. 复合屏蔽材料复合屏蔽材料是指由多种材料组合而成的材料，如金属氧化物、导电聚合物、磁性材料等。

这些材料结合了各自的优点，能够更好地吸收和反射电磁波，从而实现更好的屏蔽效果。

常见的复合屏蔽材料有金属氧化物/导电聚合物复合材料、金属/磁性复合材料等。

它们广泛应用于电子设备、卫星通信、军事装备等领域。

电磁屏蔽材料的分类多种多样，它们在电子设备、卫星通信、军事装备等领域中起着重要作用。

未来，随着科技的发展，电磁屏蔽材料也将不断更新换代，为我们的生活带来更多便利和安全。

金属电极二维材料
金属电极二维材料是指由金属材料构成的二维纳米材料。

金属电极二维材料具有独特的电学、光学、热学和力学性质，由于其二维结构的特殊性，可以显示出与三维金属材料不同的性能。

金属电极二维材料可以通过化学气相沉积、机械剥离、溶液剥离等方法制备。

常见的金属电极二维材料包括石墨烯、二硫化钼、二硫化钨等。

金属电极二维材料具有优良的导电性能，是理想的电极材料。

由于其二维结构，金属电极二维材料具有大比表面积和高电子迁移率，可以提高电极的反应活性和电荷传输速率。

此外，金属电极二维材料还具有良好的机械柔性和可调控性，可以用于柔性电子器件、光电器件和催化剂等领域。

金属电极二维材料的研究和应用具有重要的科学意义和应用价值。

研究人员正在努力开发新的金属电极二维材料，并探索其在能源存储、传感器、光电子器件和催化剂等领域的应用。

智能超表面（RIS）基础原理及模型介绍1、基础原理介绍智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）是一种二维实现的电磁超材料，可以以可编程的方式对空间电磁波进行主动的智能调控。

智能超表面采用少量有源器件甚至全无源器件的设计理念，并且可以通过采用超材料及可拼接部署方式，具备低成本、低功耗、低复杂度和易部署的优势。

智能超表面的硬件结构包括可重构超表面和智能控制单元。

可重构超表面通过改变人工微结构来调控电磁信号的折射或反射性能，实现对无线信号的调控。

智能控制单元负责控制可重构超表面的操作和参数设置。

RIS 是一种亚波长尺寸的人工二维材料，通常由金属、介质和可调元件构成，可以等效表征为RLC 电路。

调整电磁单元的物理性质，如容抗、阻抗或感抗，改变RIS 的辐射特性，实现非常规的物理现象诸如非规则反射、负折射、吸波、聚焦以及极化转换，进而对电磁波进行动态调控。

智能超表面的基础设计理论包括了传统的周期电磁理论、惠根斯等效原理及广义的反射和折射定理等。

控制电路设计可参考电路设计理论或现场可编程控制电路设计理论等。

一般而言，智能超表面的硬件架构由可重构超表面和智能控制单元组成。

可重构超表面通过改变其人工微结构，影响对电磁信号的折射或反射性能，实现对无线信号的调控。

智能控制单元负责控制可重构超表面的操作和参数设置。

广义斯涅尔定律（Generalized Snell's law）如下图所示，广义斯涅尔定律（提出极大丰富了电磁超表面的发展。

广义斯涅尔定律原理图从材料设计角度看，可以用离散的数字状态表征超材料的电磁特性，用数字化的方式实现电磁信息的调控。

崔铁军院士团队进一步提出的数字编码超材料和可编程超材料的概念，其概念不再仅仅考虑等效媒质参数，尽管是同样的离散数字状态，此时的含义则是反射或透射系数的相位或幅度。

数字编码超表面可以实现单比特或多比特的信息调控，例如单比特数字编码超表面的数字状态“0” 和“1” 分别代表0 和π的反射或透射相位响应，而多比特可以实现更灵活的电磁信息调控。

材料科学中的新发现——二维材料近年来，材料科学领域出现了一种新型材料——二维材料，这种材料具有许多优异的物理和化学特性，因此备受瞩目。

二维材料以其革新性的特性在各类材料应用中引起了广泛关注，成为新型材料应用领域的重要方向。

本文将着重介绍二维材料的相关概念、制备方法以及其在材料科学领域中的新发现。

一、二维材料的概念二维材料主要是指在三维空间中存在的仅有两个维度的一类材料，这些材料具有一些独特的性质，包括极高的电导率、极高的机械刚性、独特的光电特性等。

其中最著名的是石墨烯，石墨烯是一种由碳原子形成的蜂窝状晶格结构，其厚度仅有单个原子层。

除了石墨烯，还有MoS2、WS2 等类似材料也被发现，并在各个领域得到了应用。

对于这些二维材料，我们可以通过控制其单层的尺寸和形状来调控其物理和化学特性，这对于大尺寸的器件制备有着非常重要的意义。

二、制备方法1. 机械剥离法机械剥离法是一种最早被用于制备石墨烯单层结构的方法，其原理是将石墨通过机械的方式剥离到单层结构。

2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是将一种溶液喷射到基材上，在高温高压下通过化学反应形成二维的结构。

3. 液相剥离法液相剥离法的原理是使用溶剂将多层的二维材料分离成单层或少层数的结构。

三、新发现1.石墨烯的电磁波吸收性二维材料石墨烯因为其单层结构具有极高的电导率和导热性，在近年来掀起了一股研究热潮。

研究发现，石墨烯具有极高的电磁波吸收性，能够对高频电磁波进行有效的吸收。

基于这一特性，石墨烯在激光器、太阳能电池、微波感应器等一系列领域得到了广泛的应用。

2. 二维材料的机械性能由于二维材料的具有单层的特性，使得其在机械性能上表现极其出色，能够承受极高的拉伸应力，甚至可弯曲至极小弯曲半径。

并具有优异的硬度和小柔性模量。

这些性质使得二维材料在纳米加工、柔性电子器件、高性能传感器等领域得到了广泛的应用。

四、结语二维材料因其独特的物理和化学特性在材料科学领域的应用前景广阔。

频率选择性表面的设计与应用发展研究频率选择性表面（Frequency Selective Surface, FSS）是由微结构组成的“二维材料”，可以实现对电磁波的选择性透射和反射。

近年来，随着5G、物联网、人工智能等技术的发展，FSS的应用越来越广泛。

本文将探讨FSS的设计原理、制备技术和应用发展研究。

一、FSS的设计原理FSS的基本构成单元是具有周期性结构的介质和导体，通过设计介质的大小、形状和排列方式，可以让FSS对不同频率的电磁波有不同的响应。

FSS可以实现下列功能：1. 选择性透射（Selective Transmission）：对特定频率的电磁波有很好的透过性，而对其他频率的电磁波具有良好的反射性能。

2. 阻挡性反射（Broking）：对特定频率的电磁波具有良好的反射性能，而对其他频率的电磁波有较好的透过性能。

3. 选择性反射（Selective Reflection）：对特定频率的电磁波在某一角度有很好的反射性能，而对其他频率的电磁波则具有较好的透射性能。

因此，FSS不仅可以实现满足通信设备对频率选择性射频器件的需求，还可以应用于消除电磁干扰、电磁隔离等方面，具有广泛的应用前景。

二、FSS的制备技术FSS的制备技术主要包括电子束光刻、光刻、化学气相沉积、电子束蒸发、离子束镀膜等方法。

随着纳米技术的发展，可通过纳米加工技术来制备FSS，例如透过纳米微粒的“自组装”技术、黄光微影技术、原子层沉积技术和纳米打印技术。

虽然不同的制备技术各有特点，但主要还是有两点需要考虑，一是制备FSS需要非常精确的尺寸控制和周期控制，二是需要在足够大的量级下制备，并且需要在不同的材料和基板上制备，用于不同场合的定义需求。

三、FSS的应用发展研究1. 通信领域FSS主要应用于通信领域中，例如作为天线的频率选择性反射表面，可以改善通信信号和设备之间的互相干扰，同时，也有望用于解决电磁干扰问题。

2. 物联网和人工智能领域物联网和人工智能必须面临高速通信的挑战，而FSS可以显著减少电磁波阻碍，从而实现更高效的通信。

二维MoS2晶体介绍郑建民PB12203247由于二维MoS2具有独特的光特性、电特性，而且化学稳定性与热稳定性高，使得近几年来对其研究较多，所以借此机会讨论一下MoS2。

在这里主要介绍二维MoS2的结构、化学键、振动、能带、态密度和应用，同时将与块状MoS2、石墨烯等材料进行对比。

块状MoS2基本物理性质：黑灰色，有金属光泽，触之有滑腻感，不溶于水。

密度:4.8-5.0g/cm3; 硬度（莫式），摩擦系数：0.05-0.091~1.5，相对介电常数3.3，二硫化钼不导电，为间接带隙，禁带宽度小（1.2eV）。

MoS2晶体属于六方晶系而且具有层状结构，MoS2作为一种半导体在电子器件、光学器件、力学器件都有应用，另外MoS2毒性较小，作为荧光标记在生物医学也有巨大潜力。

随着MoS2的层数不断减小，MoS2有间接带隙逐渐过度到直接带隙，禁带宽度也由1.29eV增大到1.74eV（174eV对应光为可见光的波段）。

成为与多层MoS2性质不同的晶体。

一结构：多层(块状)MoS2结构：空间群：P63/mmc单层MoS2的结构：俯视图：类似于石墨烯的六角结构，但是原胞中的两个原子不同（而石墨烯中相同）侧视图：由此可以看出所有原子并不是在同一个平面，而是有三个原子层构成MoS2晶体侧视结构每个S原子与三个Mo原子成键，每个Mo原子与6个S原子成键，所以晶体中Mo：S=1:2原胞：如图所示，虽然晶体是二维，但是原胞并不是。

四个Mo原子处于平行四边形的四个角（较小内角为60度）。

原胞内部有两个S原子，处于三个Mo原子（正三角形）的正上方和正下方。

Mo-Mo最近距离：0.312nmMo-S键：0.2411nmMo-Mo-Mo（最小）角：60度S-Mo-S（最小）键角：46.21度晶格点阵：二维的简单六角结构，晶格常数a1=a2=a=0.312nm，夹角60度倒格子空间：结构与晶格点阵相同，只是基矢不同倒格失 长度：夹角120度布里渊区与高对称点：二维MoS 2的晶格点阵与graphene 相同，但是性质并不相同，石墨烯是导体，没有带隙，而二维MoS 2为直接带隙的半导体（Eg=1.8eV ），因此在半导体应用领域有较大潜力。

二维材料的概念
二维材料，也被称为单原子层材料，是一种仅由一个原子层组成的薄材料。

这些材料通常具有非常大的比表面积，因为它们的厚度极薄，但面积相对较大。

这种特性使得二维材料在电子、光电子、能量存储和转换等领域具有广泛的应用前景。

二维材料的制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法、液相剥离法等。

其中，机械剥离法是利用胶带反复粘贴并撕开材料，以获得单层二维材料；化学气相沉积法是利用前驱气体在加热、等离子体增强或光照射的条件下，在基底表面沉积出二维材料；液相剥离法则是利用溶剂将层状材料剥离成单层或多层二维材料。

二维材料的应用非常广泛，包括电子器件、光电器件、传感器、储能器件等。

例如，石墨烯是一种典型的二维材料，它可以用于制造透明导电膜、生物传感器、太阳电池等。

此外，二维材料还可以用于制造超灵敏传感器、生物成像和药物传递等领域的器件。

总的来说，二维材料是一个具有广泛应用前景的新兴领域，它有望在未来改变人们的生活。

二维材料的奇异属性二维材料是一类具有特殊结构和性质的材料，其厚度仅有几个原子层，具有许多奇异的物理、化学和电子特性。

这些材料在过去几十年中引起了科学界的广泛关注，被认为是未来材料科学和纳米技术领域的重要研究对象。

本文将介绍二维材料的奇异属性，包括其独特的电子结构、光学性质、力学性能以及在各种领域中的应用前景。

1. 电子结构二维材料的电子结构是其奇异属性的重要表现之一。

由于其限制在两个维度上，二维材料的电子运动受到了量子限制效应的显著影响，导致了许多独特的电子性质。

例如，石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，其电子呈现出类似狄拉克费米子的行为，具有高度的电子迁移率和独特的输运性质。

此外，二维过渡金属二硫化物等材料也表现出了丰富的电子结构，如量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等现象，为新型电子器件的设计和制备提供了新的思路。

2. 光学性质二维材料的光学性质也具有许多奇异之处。

由于其厚度极薄，二维材料对光的吸收和发射呈现出与体块材料截然不同的特性。

例如，石墨烯在可见光范围内呈现出极高的光透射率，具有优异的光学透明性；二维过渡金属二硫化物则表现出强烈的光吸收和发射行为，可用于光电器件和传感器等领域。

此外，二维材料还表现出许多非线性光学效应，如倍频、光学调制等，为光学通信和信息处理提供了新的可能性。

3. 力学性能除了电子结构和光学性质外，二维材料的力学性能也具有独特之处。

由于其层状结构和原子间键合方式的特殊性，二维材料表现出了优异的力学性能，如高强度、高韧性和柔韧性等。

石墨烯的弹性模量和抗拉伸强度均远高于传统材料，具有广泛的应用前景，如柔性电子器件、纳米传感器等。

此外，二维材料还表现出许多奇异的力学现象，如超弹性、超塑性等，为新型纳米材料的设计和制备提供了新的思路。

4. 应用前景基于二维材料的奇异属性，科学家们已经在许多领域中取得了重要的研究进展。

在电子器件领域，二维材料被广泛应用于场效应晶体管、光电探测器、柔性显示屏等领域，具有巨大的商业潜力。

精选全文完整版（可编辑修改）二维半导体材料近年来，半导体材料作为新一代先进材料受到了越来越多的关注。

其中，二维半导体材料更是受到大家的高度重视。

二维材料在纳米尺度下，具有独特的物理特性和化学性质，而且具有非常优异的器件性能。

因此，它们被越来越多地用于电子器件、传感器和电源管理等应用。

关于二维半导体材料，它是指所有厚度小于几十纳米的电子、光学的特性的材料。

常见的二维材料有碳纳米管、硅烷（二硅物）、金属硫化物、米开朗基罗物质（MoS2）、钛硅烷（TiS2）、石墨烯（Graphene）及二氧化碳等。

这些二维材料对电子、光电、传感器、电源管理等领域具有重要的应用价值。

碳纳米管（CNTs）是一种炫目的二维半导体材料，它的特点是由卷曲的碳纳米管构成，具有非常优异的物理性能。

它们具有极高的抗压强度和优异的导电性，而且多种可用的表面改性技术能够提高它们的导电性能和稳定性。

另外，CNTs还具有优异的电磁免疫性能，可以用来制备各种复杂的结构和型号。

米开朗基罗物质（MoS2）是另一种重要的二维半导体材料，它有着优异的电磁免疫性能，同时具有较低的能量损耗和优异的电导性。

它可以用于制备各种电子器件，这些电子器件具有极低的功耗和高性能。

此外，MoS2还可用于提高传感器的敏感性和可靠性，并且它可以显著提高太阳能转换效率。

石墨烯（Graphene）是另一种优秀的二维半导体材料，它具有极高的表面积、优异的电导性和极低的能量损耗等特点，是一种新型的导电材料。

石墨烯可以用于制备具有高性能的器件，如电子显示器、传感器、电池、磁体、量子存储和其他电子元件。

此外，石墨烯也可以用于节能、环保、功耗低、可持续发展的新型电子电路。

由以上介绍可以看出，二维半导体材料是一种具有重大应用价值的新型材料。

它们具有优异的物理性能和化学性质，可以大大提高电子器件、传感器和电源管理等应用的性能。

尽管这类材料的发展正处于初期，但未来会有更多的研究和进步，以满足社会的需求。