Kinerja Penyerapan Gelombang Elektromagnetik Fabrikasi dan Efisiensi Tinggi dari CoFe/C Core–Shell Structured Nanocomposites

Hasil dan Diskusi

Kami melakukan analisis XRD untuk menyelidiki struktur kristal dan kemurnian sampel. Gambar 1a menampilkan pola XRD CoFe₂ O₄ dan CoFe@C. Untuk CoFe₂ O₄ , semua puncak karakteristik sampel sangat cocok dengan struktur spinel terbalik dengan parameter kisi a = 8.377 Å dan c = 8.377 Å, yang konsisten dengan data yang dilaporkan (JCPDS File No. 03-0864). Untuk CoFe@C, tiga puncak tipikal yang jelas dapat diindeks sebagai refleksi (110), (200), dan (211) fasa paduan Fe-Co (JCPDS no. 44-1483). Tidak ada puncak karakteristik yang jelas dari grafit kristal yang terdeteksi, menunjukkan bahwa cangkang karbon yang dilapisi adalah amorf [34]. Selanjutnya, spektrum survei XPS khas CoFe@C menunjukkan adanya C, O, Fe, dan Co (File tambahan 1:Gambar S1). XPS adalah alat analisis permukaan untuk menyelidiki komposisi permukaan dan keadaan kimia elemen pada permukaan sampel. Perlu dicatat bahwa intensitas puncak Fe2p dan Co2p untuk CoFe@C sangat lemah karena lapisan karbon yang tebal pada permukaan CoFe. Untuk C 1, puncak karakteristik pada 284,5 eV (Gbr. 1b) sesuai dengan sp ² -hibridisasi karbon grafit dapat diamati [35]. Hasil XPS mengkonfirmasi bahwa lapisan karbon yang seragam berhasil dilapisi pada permukaan CoFe. Komposit inti-kulit CoFe@C akan menghasilkan sifat dielektrik yang lebih baik karena konduktivitas listrik yang baik dan polarisasi antarmuka yang ditingkatkan, yang bermanfaat bagi sifat penyerap gelombangnya yang baik.

a Pola XRD CoFe₂ O₄ dan CoFe@C. b Spektrum C 1s XPS dari CoFe@C

Spektroskopi Raman dapat digunakan untuk mempelajari informasi tentang koordinasi ion logam. Gambar 2a menunjukkan spektrum Raman CoFe₂ O₄ . CoFe₂ O₄ memiliki struktur spinel terbalik kubik mirip dengan Fe₃ O₄ dikaitkan dengan grup ruang \( {\mathrm{O}}_{\mathrm{h}}^7\left(\mathrm{Fd}\overline{3}\mathrm{m}\right) \) [36] . Getaran frekuensi rendah (di bawah 600 cm ^− 1 ) ditugaskan untuk gerakan oksigen di sekitar situs kisi oktahedral sedangkan frekuensi yang lebih tinggi dapat dikaitkan dengan oksigen di sekitar situs tetrahedral [37]. Dalam karya ini, mode pada 682 cm ^− 1 adalah karakteristik dari situs tetrahedral. Pita pada 470 dan 300 cm ^− 1 sesuai dengan Co ²⁺ di situs oktahedral [38]. Kami juga menyelidiki keberadaan karbon dalam sampel CoFe@C dengan spektroskopi Raman. Gambar 2b adalah spektrum Raman CoFe@C dalam kisaran 1100–1800 cm ^− 1 . Puncaknya terletak di 1345 cm ^− 1 sesuai dengan keberadaan sp ³ cacat karbon (D-band). Puncaknya pada 1604 cm ^− 1 mewakili karakteristik untuk lembaran grafis (G-band). Dalam karya ini, puncak pita-G dari CoFe@C bergeser ke bilangan panjang gelombang yang lebih tinggi dibandingkan dengan struktur grafit kristal sumur (1575 cm ^− 1 ), menunjukkan bahwa cangkang karbon sangat tidak teratur [39,40,41].

Spektrum Raman dari a CoFe₂ O₄ dan b CoFe@C

Karakterisasi TEM pada CoFe₂ O₄ dan CoFe@C dilakukan untuk menyelidiki struktur mikro dan morfologi. Gambar 3a, b menunjukkan bahwa CoFe₂ O₄ memiliki struktur mesopori. Semua pori-pori ini terletak di antara partikel yang berdekatan yang dihasilkan dari sejumlah besar gas yang melepaskan prekursor oksalat selama dekomposisi termal. Gambar HRTEM menampilkan pinggiran kisi yang dapat dibaca 0,25 nm sesuai dengan (311) bidang CoFe berstruktur spinel terbalik₂ O₄ , menunjukkan sifat kristalin dari partikel mesopori (Gbr. 3c). Melalui proses pemanasan sederhana dalam asetilena, nanopartikel CoFe@C dapat diperoleh. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d, e, ukuran rata-rata nanopartikel CoFe berada pada kisaran diameter 40–70 nm. Cangkang karbon memiliki kristalisasi yang buruk dengan lapisan karbon grafit yang tidak teratur dengan ketebalan sekitar 5–30 nm. Jarak kisi kristal bening 0,20 nm dari bagian inti gelap dapat diindeks sebagai (110) bidang kristal paduan CoFe (Gbr. 3f). Jarak antarplanar dari lapisan karbon permukaan sekitar 0,34 nm, yang sesuai dengan laporan sebelumnya.

a , b TEM dan c Gambar HRTEM CoFe₂ O₄ . d , e TEM CoFe@C dan f Gambar HRTEM dari CoFe@C

Kami melakukan TGA untuk mengevaluasi kandungan karbon dalam CoFe@C. Gambar 4 menunjukkan kurva TG CoFe@C. Ditemukan bahwa kehilangan berat sekitar 1,27% untuk CoFe@C dari suhu kamar hingga 200 °C, yang dianggap berasal dari hilangnya air yang teradsorpsi permukaan dan gugus fungsi organik teradsorpsi lainnya. Dari 200 hingga 380 °C, kenaikan berat sekitar 1,67% seharusnya berasal dari penambahan berat oksidasi CoFe. Selanjutnya, penurunan berat badan yang nyata ditemukan akibat dekomposisi termal karbon. Kurva TG tetap stabil setelah 485 °C dan penurunan berat total sekitar 48,74%. Berdasarkan hasil ini, kandungan karbon dalam CoFe@C dievaluasi menjadi sekitar 48,5 berat.

Kurva TG dari CoFe@C

Loop histeresis magnetik CoFe₂ O₄ dan CoFe@C diukur pada suhu kamar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, nilai saturasi magnetik (M _s ) dan koersivitas (H _ci ) untuk CoFe₂ O₄ adalah 61,7 emu g ^− 1 dan 1536.8 Oe, masing-masing. Menurut penelitian sebelumnya, sampel dengan ukuran butir yang lebih besar memiliki nilai M . yang lebih tinggi _s [42]. Dalam karya ini, M . yang relatif tinggi _s nilai untuk CoFe₂ O₄ dibandingkan dengan beberapa literatur harus dikaitkan dengan ukuran butir kristal besar seperti yang dikonfirmasi dari gambar TEM [43,44,45]. Untuk CoFe@C, M _s nilainya adalah 42,6 emu g ^− 1 dan H _ci adalah 729.2 Oe. Koersivitas lebih besar sedangkan nilai magnetisasi saturasi lebih kecil dibandingkan dengan paduan FeCo curah [46]. Namun, ini sebanding dengan komposit CoFe atau CoFe@C lainnya yang dilaporkan [32, 33, 47]. Beberapa perbedaan kecil mungkin disebabkan oleh proporsi Co/Fe, pelapisan lapisan karbon dan ukuran butir. Sifat magnetik intrinsik yang baik untuk CoFe@C akan berkontribusi pada kehilangan magnetik yang tinggi, yang menguntungkan untuk meningkatkan kinerja penyerapan gelombang mikronya.

Loop histeresis CoFe₂ O₄ dan CoFe@C pada suhu kamar

Sifat penyerapan gelombang mikro CoFe₂ O₄ dan CoFe@C diselidiki dengan mencampurkan 50% berat sampel dengan parafin. Gambar 6 menunjukkan hubungan tipikal antara kehilangan refleksi (RL) dan frekuensi pada ketebalan yang berbeda. Dari Gambar 6a terlihat bahwa CoFe₂ O₄ menunjukkan kinerja penyerapan gelombang yang buruk dengan nilai RL minimum 7.1 dB pada ketebalan 2,5 mm. Selain itu, nilai RL minimum dan puncak serapan tidak menunjukkan perubahan yang jelas dengan variasi ketebalan sampel. Sifat penyerapan gelombang mikro CoFe@C melibatkan intensitas dan bandwidth menunjukkan peningkatan yang signifikan (Gbr. 6b). Untuk lebih spesifiknya, nilai RL minimum CoFe@C dengan ketebalan 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, dan 5 mm adalah 15,5 dB (pada 17,1 GHz), 17,9 dB (pada 13,3 GHz), 20.8 dB (pada 10.9 GHz), 26.1 dB (pada 9.3 GHz), 44.0 dB (pada 7.9 GHz), 31.8 dB (pada 7.0 GHz), dan 24.4 dB (pada 6.2 GHz). Nilai RL kurang dari − 10 dB untuk CoFe@C (ketebalan 2,5 mm) berada dalam kisaran 11,6–15.9 GHz yang sesuai dengan bandwidth 4,3 GHz. Secara umum, bahan dengan nilai RL di bawah 10 dB (penyerapan 90%) dianggap sebagai penyerap gelombang EM yang sesuai. Oleh karena itu, CoFe@C saat ini dapat menjadi kandidat potensial untuk aplikasi penyerapan gelombang mikro.

Kurva kerugian refleksi a CoFe₂ O₄ dan b CoFe@C pada ketebalan yang berbeda

Untuk mengungkap kemungkinan mekanisme penyerapan gelombang EM, permitivitas kompleks (ε _r = ε  – jε ) dan permeabilitas kompleks (μ _r = μ jμ ) dari CoFe₂ O₄ dan CoFe@C diberikan pada Gambar 7. Telah diketahui dengan baik bahwa bagian nyata dan imajiner dari permitivitas dan permeabilitas kompleks masing-masing mewakili kemampuan penyimpanan dan disipasi energi listrik dan magnetik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, ε dan μ nilai untuk CoFe₂ O₄ tetap hampir tidak berubah dan masing-masing berada di kisaran 3,1–3,8 dan 1,1–1,4. Sementara itu, CoFe₂ O₄ memiliki ε . yang sangat kecil (0,1–0,5) dan μ (0–0,11) nilai. Hasil ini menunjukkan bahwa kerugian dielektrik dan magnetik untuk CoFe₂ O₄ rendah, yang seharusnya bertanggung jawab atas kinerja penyerapan gelombang mikro yang buruk. Untuk CoFe@C, dapat dilihat pada Gambar 7b bahwa nilai permitivitas kompleks jelas lebih tinggi daripada CoFe₂ O₄ di seluruh rentang frekuensi. Dengan meningkatnya frekuensi, ε dan ε Nilai menunjukkan penurunan yang lambat dan masing-masing berada pada kisaran 5,5–9,1 dan 2,0–5,4. μ nilai CoFe@C berada pada kisaran 0.98–1.2, sedangkan μ Nilai berada di kisaran 0-0,23, menunjukkan bahwa CoFe@C memiliki kehilangan magnet yang lebih besar dalam rentang frekuensi gelombang mikro daripada CoFe₂ O₄ .

Ketergantungan frekuensi bagian nyata dan imajiner dari permitivitas kompleks dan permeabilitas a CoFe₂ O₄ dan b CoFe@C

Dalam karya ini, ε . yang tinggi dan ε Nilai harus dianggap berasal dari konduktivitas yang baik dari komposit CoFe@C. Menurut model elektron-hopping Cao, CoFe@C konduktivitas yang baik memungkinkan elektron untuk bermigrasi dan melompat, dan dengan demikian dapat sangat mengkonsumsi energi elektromagnetik, menyebabkan hilangnya dielektrik ditingkatkan [48,49,50,51]. Selain itu, dua puncak di f = ~ 5.2 dan ~ 11.1 GHz (File tambahan 1:Gambar S2) dari plot Cole-Cole menunjukkan adanya perilaku relaksasi ganda dalam sampel CoFe@C. Relaksasi ini mungkin berasal dari fungsi permukaan, cacat, dan polarisasi antarmuka dalam komposit CoFe@C. Selain itu, hilangnya magnet juga berkontribusi pada redaman gelombang elektromagnetik komposit CoFe@C. Efek arus eddy, resonansi alami, dan resonansi pertukaran adalah tiga sumber kehilangan gelombang utama di wilayah gelombang mikro. Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S3, μ (μ ) ⁻² f ^− 1 untuk CoFe@C bukan nilai konstan, menunjukkan arus eddy bukanlah mekanisme kehilangan magnet yang mendominasi. Sebagai gantinya, dua puncak pada ~ 3 dan 12,5 GHz dapat ditemukan dan diindeks ke resonansi alami dan resonansi pertukaran. Kami juga menghitung tangen kerugian dielektrik (tan δ _E = ε /ε ) dan tangen rugi magnet (tan δ _M = μ /μ ) dari CoFe@C dan CoFe₂ O₄ , di mana nilai maksimum tan δ _E dan tan δ _M masing-masing adalah 0,706 dan 1,370 (File tambahan 1:Gambar S4). Nilai tan yang relatif tinggi δ _E dan tan δ _M mengungkapkan lebih lanjut bahwa CoFe@C memiliki kehilangan dielektrik dan magnet yang kuat.

Oleh karena itu, kinerja penyerapan gelombang mikro yang sangat baik untuk CoFe@C harus dikaitkan dengan kombinasi yang tepat dari mekanisme kehilangan berganda dielektrik-magnetik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8, elektron dapat dengan mudah bermigrasi dan melompat di antara dua CoFe@C yang konduktif dengan baik dan membentuk jaringan arus mikro, menghasilkan kehilangan konduksi yang luar biasa. Ini konsisten dengan model Cao [52, 53]. Polarisasi dipol yang berasal dari gugus fungsi, cacat, dan antarmuka antara lapisan karbon dan nanopartikel CoFe adalah mekanisme kehilangan penting lainnya. Cao dkk. mengusulkan bahwa struktur seperti kapasitor pada antarmuka juga dapat secara efektif melemahkan kekuatan gelombang EM yang datang [54]. Kehilangan magnetik untuk CoFe@C terutama berasal dari resonansi alami dan resonansi pertukaran karena penghambatan efektif efek arus eddy oleh lapisan karbon seragam.

Ilustrasi skema untuk mekanisme penyerapan gelombang mikro CoFe@C