Fabrikasi Campuran NiO/NiCo2O4 sebagai Penyerap Gelombang Mikro yang Sangat Baik
Abstrak
NiO/NiCo2 O4 campuran dengan struktur kuning telur yang unik disintesis dengan rute hidrotermal sederhana dan perlakuan termal berikutnya. Distribusi unsur, komposisi, dan struktur mikro sampel dicirikan oleh mikroskop elektron transmisi (TEM), difraksi sinar-X (XRD), dan mikroskop elektron pemindaian (SEM). Sifat penyerapan gelombang mikro diselidiki dengan menggunakan analisis jaringan vektor (VNA). Hasilnya menunjukkan bahwa sifat penyerapan gelombang elektromagnetik yang sangat baik dari NiO/NiCo2 O4 campuran dicapai karena struktur kuning-kulit yang unik. Secara rinci, nilai maksimum refleksi loss (RL) sampel mencapai 37.0 dB pada 12,2 GHz dan bandwidth penyerapan dengan RL di bawah 10 dB adalah 4,0 GHz dengan absorber setebal 2,0 mm. Selain itu, NiO/NiCo2 O4 campuran disiapkan pada suhu tinggi, menunjukkan stabilitas termal yang sangat baik. Mekanisme yang mungkin diselidiki untuk meningkatkan sifat penyerapan gelombang mikro dari sampel.
Latar Belakang
Baru-baru ini, dengan munculnya dan perkembangan komunikasi nirkabel dan aplikasi perangkat elektronik yang luas, kontaminasi elektromagnetik telah menjadi masalah serius pada peralatan elektronik [1]. Gelombang elektromagnetik berdaya tinggi di lingkungan regional dapat mengganggu satu sama lain, yang dapat mengakibatkan kerusakan sistem komunikasi atau bahkan menyebabkan kecelakaan serius, seperti kesalahan rudal, kecelakaan pesawat, dan konsekuensi bencana lainnya. Oleh karena itu, pengembangan penyerap gelombang elektromagnetik (EMW) efisiensi tinggi dengan daya serap kuat, bandwidth lebar, ketebalan kecil, dan ringan sangat diinginkan.
Saat ini, studi tentang peredam EMW terutama terkonsentrasi pada oksida logam transisi [2, 3], oksida logam biner [4], bahan karbon [5,6,7], polimer konduktor [8], bahan magnetik [9,10] ,11,12], bahan kerangka logam-organik [13, 14], dan bahan hibrida berbasis graphene [15,16,17,18,19,20,21]. Saat ini, NiO dan NiCo2 O4 telah menarik minat yang luar biasa karena sifatnya yang unik dalam intensitas penyerapan dan bandwidth frekuensi gelombang elektromagnetik. Seperti yang kita semua tahu, NiCo2 O4 adalah oksida logam transisi hibrida dengan sifat listrik dan elektrokimia yang sangat baik [22, 23] Potensi NiCo2 O4 [24] dan NiCo2 O4 Komposit @PVDF [25] untuk penyerapan gelombang elektromagnetik telah dipelajari. Menariknya, penelitian terbaru juga menunjukkan potensi NiO dan campuran terkait dalam penerapan penyerapan gelombang mikro [26, 27]. Oleh karena itu, kombinasi NiO dan NiCo2 O4 untuk persiapan bahan penyerap gelombang elektromagnetik telah menjadi bidang penelitian baru. Misalnya, Liu et al. [28] melakukan beberapa eksplorasi pada sifat penyerapan EMW NiCo2 O4 /Co3 O4 /NiO komposit. Hasil mereka menunjukkan bahwa sampel menunjukkan nilai RL maksimum 28,6 dB pada 14,96 GHz. NiO/NiCo berpori2 O4 nanoflakes seperti akar teratai ditunjukkan oleh Liang dan rekan kerja sebagai kandidat yang menjanjikan untuk penyerap gelombang mikro [29]. NiO/NiCo2 O4 (60 wt%)-lilin hibrida menunjukkan penyerapan EMW terkuat dengan nilai RL 47 dB pada 13,4 GHz. Namun, metode yang digunakan dalam pembuatan NiO/NiCo2 O4 proses hybrid terlalu rumit untuk cocok untuk produksi massal. Akibatnya, pengembangan metode yang mudah untuk preparasi kulit kuning telur NiO/NiCO2 O4 campuran dengan kinerja EMW yang sangat baik masih menjadi topik yang menarik.
Di sini, kami melaporkan metode hidrotermal sederhana dan perawatan pasca-termal berikutnya untuk menyiapkan NiO/NiCo2 O4 campuran dengan struktur kulit kuning telur yang unik. Hasil menunjukkan bahwa sampel yang diperoleh menunjukkan kinerja penyerap gelombang mikro yang sangat baik. Hubungan antara struktur, morfologi permukaan, dan kinerja penyerapan gelombang mikro juga dibahas. Studi saat ini akan sangat memperluas skenario aplikasi NiO/NiCo2 O4 campuran sebagai penyerap gelombang elektromagnetik.
Metode
Prekursor pertama kali disiapkan menggunakan metode hidrotermal sederhana. Dalam sintesis tipikal, 1 mmol Ni(NO3 )2 , 2 mmol Co(TIDAK3 )2 ·6H2 O, dan 0,6 mol urea (H2 NCONH2 ) dilarutkan dalam 5 mL isopropanol (C3 H8 O) dan 25 mL air deionisasi dan kemudian diaduk selama 0,5 jam untuk membuatnya terdispersi penuh. Kemudian, larutan yang dihasilkan dipindahkan ke reaktor polytetrafluoroethylene dan direaksikan pada suhu 120 °C selama 12 jam. Setelah itu, autoklaf didinginkan hingga suhu kamar secara alami. Kemudian, sampel dikumpulkan dengan centrifuge dan dicuci beberapa kali dengan alkohol dan air deionisasi, masing-masing. Serbuk basah yang diperoleh dikeringkan pada suhu 60 °C selama 10 jam dalam oven vakum. Endapan merah muda selanjutnya dikalsinasi pada 350 °C, 450 °C, 550 °C, dan 650 °C masing-masing selama 3,5 jam dalam kondisi atmosfer. Reagen yang digunakan dalam pengujian semuanya murni secara analitik dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Fasa kristal dari produk yang dikalsinasi dikarakterisasi dengan difraktometer sinar-X (XRD, PANalytical, Empyrean) menggunakan Cu Kα radiasi (λ =1,54178 , 40,0 kV). Struktur, morfologi, komposisi, dan distribusi unsur sampel diamati dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM, JEOL-6610LV) dan mikroskop elektron transmisi (TEM, JEM-2100, INCAX-Max80). Parameter elektromagnetik dari sampel yang diperoleh diperiksa oleh penganalisis jaringan vektor (VNA, AV3629D) menggunakan mode pantul transmisi dalam rentang frekuensi 2,0-18,0 GHz pada suhu kamar. Sampel dengan suhu anil yang berbeda (350 °C, 450 °C, 550 °C, 650 °C) diberi label masing-masing sebagai S1, S2, S3, dan S4, untuk memudahkan deskripsi ini.
Hasil dan Diskusi
Spektrum karakteristik sinar-X dari sampel pada suhu annealing yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 1. Membandingkan kartu standar NiO (PDF#44-1159) dan NiCo2 O4 (PDF#20-0781), ditemukan puncak difraksi sampel dengan suhu anil 650 °C dan 550 °C sesuai dengan NiO (2θ =37,2°, 43,3°, dan 62,9°) dan NiCo2 O4 (2θ = 31,1°, 36,7°, 44,6°, 59,1°, dan 64,9°), masing-masing. Pola XRD menunjukkan bahwa NiO/NiCo2 O4 campuran berhasil disintesis dengan menggunakan bahan baku yang disebutkan dalam percobaan. Namun, puncak difraksi NiO tidak ditemukan pada sampel dengan suhu annealing kurang dari 550 °C, menunjukkan bahwa suhu tinggi menguntungkan untuk pembentukan NiO. Pada tahap reaksi hidrotermal, karena partisipasi urea, kami memperoleh sejumlah kecil NiCO3 , yang dapat diuraikan menjadi NiO dan CO2 pada suhu tinggi. Pada saat yang sama, dengan peningkatan suhu annealing, kristalinitas NiCo2 O4 kristal juga dioptimalkan, yang berarti sampel dapat digunakan di lingkungan bersuhu tinggi.
Pola XRD dari sampel
Gambar SEM dari semua sampel ditunjukkan pada Gambar. 2. Seperti yang ditunjukkan pada mikrograf sampel, sebagian besar sampel menunjukkan mikrosfer dengan diameter berbeda dengan sejumlah besar kawat nano radial di permukaan. Namun, dengan meningkatnya suhu anil, permukaan sampel retak dan massa pori-pori dihasilkan, seperti sampel yang sesuai dengan suhu anil 650 °C.
Gambar SEM NiCo2 O4 partikel dan NiO/NiCo2 O4 campuran
Untuk menyelidiki lebih lanjut struktur mikro dan distribusi NiO dan NiCo2 O4 di NiO/NiCo2 O4 campuran, mikroskop elektron transmisi (TEM), dan spektrum difraksi elektron (EDS) digunakan untuk mengukur sampel dengan suhu anil 650 °C. Dari Gambar 3a, b, kita dapat melihat struktur cangkang kuning telur yang khas. Pada Gambar 3c, elemen Co terutama terkonsentrasi pada bagian kernel. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa NiCo2 O4 terutama didistribusikan di dalam nukleus. Menurut distribusi elemen Ni yang ditunjukkan pada Gambar. 3d, ada celah yang jelas antara lapisan kulit dan bagian kernel, yang agak berbeda dari distribusi elemen Co. Menggabungkan dengan pola XRD sampel, dapat disimpulkan bahwa NiO terutama didistribusikan pada bidang luar dari seluruh struktur cangkang inti berongga. Komposisi diverifikasi oleh spektroskopi EDS seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d [30]. Selain itu, unsur Cu, Cr, dan C yang ditampilkan dalam spektrum EDS adalah milik alat ukur itu sendiri.
Gambar TEM (a –c ) dan gambar EDS (d ) dari NiO/NiCo2 O4 campuran dengan suhu anil 650 °C
Selanjutnya, struktur berpori dapat mengurangi permitivitas efektif bahan, yang menguntungkan untuk pencocokan impedansi [31, 32]. Menurut analisis selanjutnya dari parameter elektromagnetik yang diukur dari sampel, diyakini bahwa perubahan ini mungkin bermanfaat untuk meningkatkan tingkat pencocokan impedansi sampel, dan kemudian meningkatkan efek penyerapan gelombang elektromagnetik.
Telah diketahui dengan baik bahwa parameter elektromagnetik suatu material, termasuk permitivitas relatif (εγ=ε′-jε″ ) dan permeabilitas kompleks relatif (μγ=μ′-jμ″ ), memainkan peran yang sangat penting dalam kinerja penyerapan EMW. Bagian nyata dari permitivitas kompleks (ε′ ) dan permeabilitas kompleks (μ′ ) menunjukkan kapasitas penyimpanan bahan penyerap energi listrik dan magnet, sedangkan bagian imajiner menunjukkan kapasitas kehilangan energi listrik dan magnet [33, 34]. Ketika kedua parameter elektromagnetik ini berdekatan, ini berarti material tersebut memiliki kecocokan impedansi yang baik. Dalam percobaan ini, parameter elektromagnetik sampel diukur dengan mendispersikan komposit dalam matriks parafin dengan pembebanan 30wt% pada rentang frekuensi 2–18 GHz. Dengan mengganti parameter elektromagnetik yang diukur ke dalam rumus berikut, kemampuan kehilangan refleksi sampel untuk gelombang elektromagnetik pada ketebalan yang berbeda dapat disimulasikan dan dihitung [35].
Dimana , , , dan masing-masing mewakili bagian nyata dan imajiner dari permitivitas dan permeabilitas. Nilai adalah frekuensi gelombang elektromagnetik, d adalah ketebalan penyerap, Z0 adalah impedansi ruang kosong, Zin adalah impedansi input yang dinormalisasi, dan c adalah kecepatan cahaya di ruang bebas [36].
Menurut Rumus (1)~(2), dapat disimpulkan bahwa ketika kehilangan refleksi mencapai 20 dB, bahan yang sesuai menyerap sekitar 99% EMW, yang berarti bahwa sampel dapat diterapkan pada kebutuhan aktual [37] .
Bagian nyata (ε′) dan bagian imajiner (ε″) dari permitivitas sampel ditunjukkan pada Gambar. 4a, b, masing-masing, dan perubahan bagian nyata dan imajiner dari permitivitas sampel pada suhu yang berbeda adalah dibandingkan dengan hati-hati. Terlihat bahwa nilai menurun dari 72,6 menjadi 30,3 dengan meningkatnya frekuensi untuk sampel dengan suhu annealing 350 °C. Namun, nilai sampel menunjukkan tren yang berbeda dan tren penurunan secara keseluruhan dalam rentang frekuensi pengujian. Ada fluktuasi besar dalam kisaran 7,1-10,4 GHz, yang terutama disebabkan oleh relaksasi dielektrik. Jelas, nilai dan NiO/NiCo2 O4 campuran (550 °C dan 650 °C) tidak berubah secara signifikan, dibandingkan dengan NiCo2 O4 partikel. Dapat dilihat dengan jelas dari Gambar 3, komposit menurun dengan meningkatnya suhu anil. Parameter elektromagnetik S3 dan S4 memiliki tren yang sangat mirip dan berbeda dari S1 dan S2. Pada rentang frekuensi pengujian, dan dari S3 dan S4 divariasikan masing-masing pada kisaran 15,3 hingga 8,5 dan 4,1 hingga 2,0. Berdasarkan teori elektron bebas, nilai sampel yang tinggi mengakibatkan konduktivitas yang tinggi [38]. Namun, konduktivitas yang terlalu tinggi menyebabkan ketidaksesuaian antara permitivitas dan permeabilitas, yang tidak menguntungkan kinerja penyerapan gelombang mikro. Ketika kristal NiO dengan resistivitas listrik yang lebih tinggi digabungkan dengan NiCo2 O4 , pembentukan jaringan penghantar listrik NiCo2 O4 dicegah, sehingga mengurangi konduktivitas komposit. Untuk semua sampel, μ′ dan permeabilitas kompleks di seluruh rentang frekuensi, masing-masing sangat dekat dengan 1 dan 0 bahkan hingga negatif [39, 40], (File tambahan 1; Gambar S1) yang menyiratkan bahwa magnetisme sampel kecil dan dapat diabaikan.
Ketergantungan frekuensi (a ) dan (b ) dari campuran dengan suhu kalsinasi yang berbeda. Faktor kerugian dielektrik (c ) dan tingkat pencocokan impedansi (d ) sampel dengan disintesis pada suhu yang berbeda untuk kurva frekuensi
Secara umum, kerugian refleksi untuk bahan gelombang elektromagnetik terkait dengan faktor kerugian dielektrik (tanδe= |ε′). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4c, faktor kerugian dielektrik untuk S3 dan S4 secara signifikan lebih kecil daripada untuk S1 dan S2. Faktor kerugian dielektrik maksimum untuk S3 dan S4 masing-masing adalah 0,69 (10,9 Hz) dan 0,57 (18 Hz). Rasio pencocokan impedansi secara luas digunakan untuk menunjukkan kemampuan kehilangan dielektrik dari penyerap gelombang mikro [41]. Rasio pencocokan impedansi sampel dapat dilambangkan sebagai Persamaan. (3).
Dalam Persamaan. (3), f , c , Zdi , Z0 , dan Zr adalah konstanta redaman, frekuensi, kecepatan cahaya, impedansi masukan penyerap, impedansi ruang bebas, dan nilai rasio pencocokan impedansi. Untuk mengilustrasikan lebih lanjut sifat kehilangan elektromagnetik dari sampel, rasio pencocokan impedansi bahan diperkenalkan dan ditunjukkan pada Gambar. 4d. Menariknya, kami menemukan bahwa rasio pencocokan impedansi NiO/NiCo2 O4 campuran secara signifikan lebih tinggi daripada S1 dan S2. Akibatnya, yang pertama lebih efektif dalam menyerap gelombang elektromagnetik.
Jelas bahwa kurva RL sampel dapat digunakan untuk mencerminkan kinerja penyerapan gelombang mikronya. Berdasarkan teori saluran transmisi, dimungkinkan untuk mensimulasikan dan menghitung parameter penyerap gelombang mikro dalam kisaran ketebalan 1,0–5,0 mm, sesuai dengan parameter elektromagnetik. Kurva RL teoritis dari sampel yang dikalsinasi pada suhu yang berbeda dalam rentang frekuensi 2–18 GHz ditunjukkan pada Gambar. 5. Secara umum dianggap bahwa ketika RL lebih rendah dari 10 dB, laju penyerapan gelombang elektromagnetik sampel dapat mencapai lebih dari 90% [42], yang merupakan indeks kinerja khas yang harus dicapai dengan penerapan bahan serapan gelombang mikro. Menurut Gambar 5a dan b, jelas ditunjukkan bahwa nilai RL S1 dan S2 relatif buruk dan tidak ada bandwidth di bawah 10 dB. Namun, dengan meningkatnya kristalinitas NiO dalam sampel, kehilangan refleksi minimum NiO/NiCo2 O4 campuran jauh lebih rendah dari 10 dB. Seperti S4 yang ditunjukkan pada Gambar. 5d, rentang frekuensi di bawah 10 dB sesuai dengan nilai RL adalah 10.6~14.6 GHz dan bandwidth 4.0 GHz. Sementara itu, kami menemukan bahwa kerugian refleksi minimum mencapai 37.0 dB pada 12,2 GHz dengan ketebalan absorber 2,0 mm. Untuk mencerminkan hubungan antara RL dan ketebalan sampel secara intuitif, kurva kontur 3D yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. 5. Dari gambar kerugian refleksi gelombang elektromagnetik yang disimulasikan, S4 akan menunjukkan kinerja penyerapan gelombang yang sangat baik dalam kisaran ketebalan 1,5–5,0 mm.
Kurva kehilangan refleksi EM dari sampel. Dimana a –d mewakili kurva kehilangan refleksi dari sampel dengan suhu anil 350 °C, 450 °C, 550 °C dan 650 °C, dan gambar di sebelah kanan sesuai dengan kerugian refleksi 3D sampel, masing-masing
Selain dipol yang melekat pada NiCo2 O4 dan fase NiO, dipol cacat juga dihasilkan karena pembentukan cacat kisi yang disebabkan oleh transformasi fase [28]. Akibatnya, dipol ini akan menghasilkan kerugian dielektrik dengan relaksasi polarisasi orientasi dalam medan elektromagnetik bolak-balik. Menariknya, relaksasi polarisasi antarmuka akan terjadi pada NiO/NiCo2 O4 campuran dengan banyak antarmuka heterogen, menghasilkan kerugian dielektrik yang ditingkatkan. Seperti yang ditunjukkan pada pola XRD, ketika suhu annealing mencapai 550 °C, beberapa puncak karakteristik seperti 37,2 °, 43,3 °, dan 62,9 ° dapat ditemukan, yang menunjukkan generasi NiO. Intensitas puncak difraksi NiO pada 35,49° diperkuat mengikuti suhu, menyiratkan bahwa lebih banyak kristal NiO yang dihasilkan.
Untuk menggambarkan intuisionistik mekanisme yang mungkin, peta diagram bernama Gambar. 6 disediakan. Menurut gambar, NiO/NiCo2 O4 campuran menunjukkan sifat penyerapan gelombang mikro yang menonjol, yang mungkin menjadi alasan berikut. Pertama, NiO/NiCo2 O4 campuran memiliki antarmuka heterogen yang kaya, menghasilkan relaksasi polarisasi antarmuka yang kuat, yang menyebabkan kerugian dielektrik yang besar. Kedua, ruang kosong dan celah dalam struktur inti cangkang memungkinkan pemaparan penuh NiO/NiCo2 O4 bahan campuran ke atmosfer, yang memfasilitasi pengenalan gelombang elektromagnetik dan menghasilkan resonansi dielektrik [43, 44]. Ketiga, struktur kulit kuning telur yang unik dari NiO/NiCo2 O4 campuran dapat memantulkan dan menyerap gelombang elektromagnetik yang diserap beberapa kali untuk meningkatkan hilangnya gelombang elektromagnetik dalam sampel [45, 46].
Ilustrasi skema NiO/NiCo2 O4 campuran dengan struktur kulit kuning telur ke mekanisme redaman gelombang elektromagnetik
Kesimpulan
NiO/NiCo2 O4 campuran dengan struktur kulit kuning telur dibuat dengan metode hidrotermal dan dilanjutkan dengan annealing pada suhu tinggi. Ketika suhu anil 650 °C, NiO/NiCo2 O4 campuran menunjukkan sifat penyerapan gelombang mikro terbaik, yang jauh lebih baik daripada kinerja NiCo murni2 O4 dan komposit sejenis. Kemampuan penyerapan gelombang mikro yang ditingkatkan dari komposit terutama dikaitkan dengan relaksasi polarisasi antarmuka, relaksasi polarisasi orientasi yang disebabkan oleh dipol cacat, dan struktur kuning telur yang unik. Diyakini bahwa komposit tersebut akan menjanjikan untuk aplikasi luas di bidang penyerapan gelombang mikro.
