隨著電子器件的小型化、智能化和高度集成化，電磁幹擾以及器件工作時帶來的熱量問題嚴重製約著器件的性能。目前解決電磁幹擾問題的主要策略是借助電磁吸收材料本征的磁或介電損耗將電磁波轉化為熱能進行耗散，從而達到消除電磁幹擾的目的。該策略盡管能夠有效地緩解電磁幹擾，但卻忽視了電磁能的可循環利用。此外，直接的電磁耗損在小型化、密集型的電子設備內部還會出現嚴重的製熱問題，從而迅速衰減電磁吸收能力。

　　有鑒於此，複旦大學材料科學係吳仁兵團隊從電磁能循環利用的視角，提出了一種新的二階能量轉換方案：將電磁波耗散轉換成熱能，再基於熱電效應將熱能轉換為電能。2月5日，相關研究成果以“A flexible electromagnetic wave-electricity harvester”為題在線發表於《自然·通訊》（Nature Communications, 2021, 12, 834）。

圖1. （a）錫顆粒在石墨碳基體中通過熱處理展現的分裂行為示意圖;（b-c）錫/碳複合材料的透射電鏡圖

圖2. 錫/碳複合材料的（a）電導率，（b）介電常數，（c）賽貝克係數，

（d）熱導率，（e）耦合的電磁波-熱-電性能；（f）電磁波-電能收集體受微波輻射後輸出的功率密度

　　要實現高效的電磁-熱-直流電轉化效率，材料需滿足高的電導率和賽貝克係數以及低的熱導率。盡管傳統的半導合金體熱電型材料擁有較高的熱電轉化效率，但其較低的電導率和賽貝克係數嚴重地製約了電磁-熱-電轉化能力。為了實現上述二階能量轉換方案和平衡電磁-熱-電能轉化效率，該團隊通過材料成分和結構設計，構建了金屬錫/碳複合材料為核心層的“三明治”結構。研究發現，錫在熱處理過程中能呈現出像生物細胞一樣的分裂行為，三次熱處理後，金屬錫分裂成3 納米左右的納米晶，均勻分散在石墨碳基體中（圖1）。鑲嵌有金屬錫納米晶的石墨碳基體表現出增強的聲子耦合能力，能大幅降低複合材料熱導率的同時提高電導率，從而有助於熱-電轉化效率的提升。此外，通過金屬錫的高溫催化效應，使得碳基體呈現出較好的石墨化程度和窄禁帶特性，也有效地提高了複合材料的塞貝克係數（圖2a-e）。

　　為進一步提高電磁吸收效率，三明治結構的頂層選擇性地沉積了透波和絕熱性能極好的派瑞林高分子層，底層構築了派瑞林/金陣列。這樣的宏觀結構設計可有效構建電磁反射回路，不僅能提高錫/碳中間層的電磁捕捉能力，同時有效產生溫度梯度，實現熱-電轉化。研究結果表明，經過電磁波輻射150秒後的器件最大輸出功率密度為0.394 W/m2（圖2f）。

　　該研究為設計電磁吸收材料，更好地解決電磁幹擾提供了新的思路。