随着5G通信技术的飞速发展，智能电子设备在民用和专用领域的应用日益广泛。然而，由此产生的电磁辐射不仅影响人体健康，还会缩短设备寿命、威胁信息安全。在此背景下，亟需解决多频段电磁干扰与辐射污染问题，尤其是主导5G通信网络的n77（3.3–4.2 GHz）、n78（3.3–3.8 GHz）和n79（4.4–5.0 GHz）频段。传统软磁材料受限于Snoek极限，难以同时提升自然共振频率（fr）和磁导率，导致低频吸收性能受限。因此如何突破Snoek极限，实现对5G全频段电磁波的高效吸收，是该领域面临的难题。

同济大学化学科学与工程学院谷红波副教授团队与中国科学院化学研究所周恒研究员团队合作，近年来围绕低频电磁波吸收材料开展了系统性研究。团队通过氮掺杂调控中空软磁合金/碳复合材料（CoNi@NC）的电磁参数，成功构建了磁-介电协同损耗体系，显著提升了材料的fr和阻抗匹配性能，首次实现了对5G频段n77、n78和n79的全吸收。相关成果以“Nitrogen Doping Regulated Hollow Soft-Magnetic Alloy/Carbon Composites to Break through Snoek Limit for Total Absorption of Electromagnetic Waves in n77, n78, and n79 of 5G Bands（氮掺杂调控中空软磁合金/碳复合材料突破Snoek极限实现对5G频段n77、n78和n79电磁波的全吸收）”为题，发表于国际知名学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。

该研究成功构建了氮掺杂中空软磁合金/碳复合材料（CoNi@NC）。如图1所示，团队通过溶剂热法制备了中空结构的CoNi软磁合金，随后在其表面原位聚合包覆聚苯胺，最后经高温碳化处理，成功制得类“千日红”状的CoNi@NC。这种结构有利于提供大的比表面积，增加与电磁波的接触界面，并且该材料表现出优异的软磁性能，饱和磁化强度达81.0 emu g^-1，矫顽力仅为38.2 Oe，有利于提升材料的f_r。Raman光谱显示其I_D/I_G比为2.52，表明碳层中存在丰富的缺陷位点，这些缺陷可作为磁/电偶极中心，增强磁耦合和界面极化。XPS分析证实氮以吡啶氮、吡咯氮和石墨氮形式存在，这种掺杂结构可有效调控材料的电磁参数。

图1. (a) Schematic illustration for fabrication of CoNi@NC. (b) SEM image and EDS elements mapping of CoNi@NC (b1) Co, (b2) Ni, (b3) N and (b4) C elements. (c) TEM image of CoNi@NC. (d) Lattice fringe images and inset shows SAED image of CoNi@NC. (e) XRD spectra of CoNi@NC. (f) Raman spectra of CoNi@NC. (g) Co 2p spectra and Ni 2p spectra, (h) C 1s spectra, (i) N 1s spectra for CoNi@NC. (j) M-H curve of CoNi@NC.

 为实现对Snoek极限的突破，团队对CoNi@NC的电磁参数进行了系统优化。如图2所示，通过氮掺杂调控，CoNi@NC在3–5 GHz低频范围内展现出显著的磁损耗峰，其虚部磁导率（μ′′）达0.37–0.91，远优于纯CoNi和未掺杂的CoNi@C。这一频段恰好覆盖5G通信的n77、n78和n79频段，为低频电磁波的高效吸收奠定了基础。同时，材料的波阻抗（η）和界面反射系数（R）也证实CoNi@NC具有最佳的入射波透过率和最低的反射率。在4.8 mm厚度下，材料在3.64 GHz处实现了−47.66 dB的最小反射损耗（RL_min），低频有效吸收带宽（EAB）达2.21 GHz（2.95–5.16 GHz），完美覆盖了5G通信的n77、n78和n79全频段。此外，在1.8 mm厚度下，其EAB可达6.29 GHz（10.18–16.47 GHz），展现出优异的频带可调性。

图2. (a) ε′ of permittivity, (b) ε′′ of permittivity, (c) dielectric loss, (d) μ′ of permeability, (e) μ′′ of permeability, (f) magnetic loss for CoNi, CoNi@C, and CoNi@NC. (g–i) 2D color diagrams of impedance matching for CoNi, CoNi@C, and CoNi@NC. (j, k) 3D color diagrams of reflection loss for CoNi@C and CoNi@NC.

为全面评估CoNi@NC的电磁波吸收性能，团队将其与已报道的文献进行了系统对比。如图3所示，CoNi@NC在多个关键性能指标上均展现出显著优势。在反射损耗方面，CoNi@NC在4.8 mm厚度下于3.64 GHz处实现−47.66 dB的RL_min，远优于CoNi（−40.5 dB）和CoNi@C（−18.9 dB）。阻抗匹配是决定电磁波吸收性能的关键因素。CoNi@NC的最优阻抗匹配值（|Z_in/Z₀-1|）低至0.0083，优于CoNi（0.0200）和CoNi@C（0.0148），表明电磁波能够最大程度地进入材料内部而非在表面反射。这一优异的阻抗匹配性能为其突破Snoek极限奠定了基础。为评估材料的实际应用效率，团队引入了比反射损耗（SR_L）指标，即单位重量和单位厚度下的最小反射损耗。CoNi@NC的SR_L值达−141.8 dB mg^-1 mm^-1，显著优于对比样品和文献报道的其他低频吸收材料，展现出高效的材料利用率和成本优势。与文献报道的其他低频电磁波吸收材料相比，CoNi@NC在RL_min和EAB方面均处于领先水平，是少数能够同时覆盖n77、n78和n79全频段的材料之一。此外，针对5G电子设备在运行过程中产生的热量积累问题，团队测试了材料的热传导性能。红外热成像显示，在120°C加热平台上，CoNi@NC表现出最快的升温速率，能够有效传导设备运行产生的废热，满足5G电子器件对多功能材料的需求。

图3. Comparison of CoNi, CoNi@C, and CoNi@NC. (a–d) Comparison of RLmin, EAB, and |Zin/Z0 –1|, (e) Comparison of SRL, (f) Performance comparison between this work and other low-frequency absorbers, (g) Comparison of heat transfer.

为验证材料的实际应用潜力，团队开展了雷达散射截面（RCS）仿真研究。如图4所示，结果表明，CoNi@NC在3.64 GHz处表现出最低的RCS缩减值（2.51–36.08 dB m²），显著优于CoNi（1.56–15.64 dB m²）和CoNi@C（1.09–4.01 dB m²）。远场仿真显示，CoNi@NC可将PEC的RCS值降低30.67 dB m²，在探测角度0°–360°范围内均保持RCS < −20 dB m²，展现出优异的宽角度隐身性能。有限元仿真进一步揭示了CoNi@NC对电磁波的动态损耗过程。在3.64 GHz频率下，CoNi@NC表现出最低的电场响应（1948.10 V m^-1）、电流密度和表面电流响应，但其电子能量密度略高于CoNi@C，这归因于氮原子掺杂向碳导带注入额外电子，增加了材料中的电子数量。类似地，CoNi@NC表现出最低的磁场响应，但由于氮原子掺杂破坏了原有晶格周期结构，引发晶格畸变，其磁能密度略高于CoNi@C。最重要的是，CoNi@NC展现出最高的功率流和功率损耗密度，意味着其对电磁波的耗散能力最强，这与宏观电磁波吸收性能测试结果高度一致。

图4. (a) Working principle of radar detectors. (b) RCS simulation curves of PEC, CoNi, CoNi@C, and CoNi@NC within the detection range of −90° ≤ θ ≤ 90°. (c) CST far-field simulation results of (I) PEC, (II) CoNi, (III) CoNi@C, and (IV) CoNi@NC. (d–k) Finite element simulations of CoNi, CoNi@C, and CoNi@NC.

为进一步揭示CoNi@NC突破Snoek极限的内在机制，团队通过密度泛函理论（DFT）计算和CST仿真模拟，从原子尺度和宏观尺度分别探究了氮掺杂的作用及其对电磁波损耗过程的影响。如图5所示，DFT计算揭示了氮掺杂对材料电子结构的调控机制。差分电荷密度分析表明，由于氮原子的电负性（3.04）高于碳原子（2.55），氮掺杂后氮原子能够从相邻碳原子处获得更多电子，在异质界面处形成局域电荷积累。这种电荷聚集导致局域结构不对称，引起正负电荷中心分离，进而影响未配对电子的排布方式，调控磁畴结构，最终实现对材料复磁导率实部（μ′）和虚部（μ′′）的优化。EPR谱图进一步证实，随着碳壳包覆和氮掺杂的引入，材料在3517 G处的对称峰强度显著增加，表明未配对电子数量增多，这与差分电荷密度分析结果一致。能带结构和态密度（DOS）计算结果显示，与纯CoNi和CoNi@C相比，CoNi@NC在费米能级附近的电子态密度显著提高，电子更为集中。高电子密度意味着大量电子的存在，当这些电子有序排列时，能够形成磁畴，为材料提供更高的μ′和μ′′。同时，所有样品在费米能级附近均呈现非零态密度，证实其金属特性，而CoNi@NC在费米能级附近的能量显著更高，表明氮掺杂使电子密度集中，为电磁波吸收提供了更多可用的电子态。

图5. (a) 3D Differential charge distributions and 2D cut-away distributions of CoNi, CoNi@C, and CoNi@NC. (b) EPR spectra of CoNi, CoNi@C, and CoNi@NC. (c–e) Energy band structures of CoNi, CoNi@C, and CoNi@NC. (f–h) DOS of CoNi, CoNi@C, and CoNi@NC.

综上，CoNi@NC突破Snoek极限的条件可归纳为：首先，材料的饱和磁化强度和矫顽力决定其自然共振频率，这是突破Snoek极限的前提；其次，介电损耗与磁损耗的协同作用赋予材料优异的电磁波吸收性能，这是突破Snoek极限的重要条件；最后，DFT计算证实氮能够进一步调控材料的本征电磁参数，优化阻抗匹配，为突破Snoek极限创造关键条件。这项工作为突破磁性材料的Snoek极限提供了新的设计思路，通过氮掺杂调控中空核壳结构的磁-介电协同损耗机制，为高性能低频电磁波吸收材料的制备奠定了理论基础。研究成果为5G通信设备、雷达隐身技术和智能电子器件的电磁防护设计提供了新的策略，为下一代多功能、轻量化电磁波吸收材料的发展带来了重要机遇。

同济大学为第一完成单位，同济大学化学科学与工程学院谷红波副教授、中国科学院研究所周恒研究员为论文共同通讯作者，博士研究生太天宇为论文第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划和中央高校基础科研业务费等项目的支持。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.74997