北方工业大学&北京理工大学Adv. Mater.：二维材料赋能智能多谱电磁响应与器件

成果介绍

随着6G通信（6G communication）、光电集成（optoelectronic integration）和先进隐身技术（advanced stealth technologies）的快速发展，电磁功能材料（electromagnetic functional materials）急需实现跨微波（microwave）、太赫兹（terahertz）和光学（optical）波段的协同宽带响应(collaborative broadband responses) 。全谱覆盖对于提高数据传输速率、实现高精度传感和自适应电磁操控至关重要 。但当前对多光谱响应机制（multispectral response mechanisms）的认识仍然不足，器件架构创新也相对缺乏。二维电磁材料（2D electromagnetic materials）因原子级厚度、高比表面积和可调电子结构而展现出块体材料所不具备的独特电磁性质。尤其是石墨烯（graphene）、MXenes和其他二维材料，兼具高电导率、可调带隙和强光-物质相互作用（light-matter interactions），为跨谱段响应提供了重要材料平台。然而，将其单一谱段性质整合为统一的多光谱体系仍十分困难，关键瓶颈在于原子/分子构型与跨波段电磁行为的关联、异频能量转换效率的优化，以及复杂环境下器件稳定运行能力的提升。

近日，北方工业大学赵全亮教授、北京理工大学曹茂盛课题组系统综述了二维电磁材料及其衍生的多光谱器件的研究进展 。本文重点阐述了材料结构（如层间堆叠、表面功能化和缺陷工程）与微波、太赫兹及光学波段电磁性质（如电导率、介电常数和磁导率）之间的基本关系，并针对当前研究瓶颈提出了五个关键的发展方向：跨域信号转换系统（cross-domain signal conversion systems）、环境驱动的全光谱自适应重构（environment-driven full-spectrum adaptive reconstruction）、低维纳米材料的界面极化工程（interface polarization engineering of low-dimensional nanomaterials）、极端环境下的跨域集成（cross-domain integration under extreme environments）以及动态光谱响应的可编程性（programmability of dynamic spectral responses） 。该展望旨在为下一代智能电磁系统奠定理论和技术基础，促进其在通信、传感、医学和国防等领域的应用转化 。

图文导读

图1：研究背景、技术需求以及二维电磁材料与多光谱应用领域之间的关联示意，包括6G通信、国防、传感和医学。

图2：石墨烯的结构与缺陷调控，包括Stone–Wales缺陷、单空位缺陷、多空位链、碳加合原子缺陷和边缘缺陷；MXenes的结构与缺陷调控，包括空位缺陷、边缘缺陷以及晶界和位错缺陷；复合结构中的协同效应，包括结构协同、电子协同、电化学协同、电磁协同和催化协同。

图3. 多种二维扭曲过渡金属二硫化物范德华异质结构的普适合成。 (a) 3D MC的形成示意图，以及不同放大倍数下的扫描电子显微镜（SEM）图像。(b) MC腔体的电磁响应机制示意图。(c) 优化厚度下MC-4的反射损耗（RL）随频率变化曲线。(d) AGHMM模型及电极与石墨烯单层的连接，6.021 THz时的电场分布与电场强度。(e) AGHMM的反射、透射和吸收光谱；化学势μc变化情形下以及μc = 0.15 eV时TE波的透射光谱。(f) 基于石墨烯/SnS2范德华异质结构的光探测器示意图与器件光学图；正栅压VG调控下的能带弯曲示意图。(g) 在470和1064 nm激光照射与未照射条件下测得的IDS−VG转移特性曲线。

图4：(a) MXene/FG/CNFs气凝胶的制备示意图及界面黏附能。(b) MXene/GQDs气凝胶的制备过程示意图。(c) 在CF上合成HEP的过程示意图；FBLT的详细谱图，对应FCC和X2O3相的晶格示意图，FBLT中各相的TEM图像及其IFFT结果。(d) NSMBR太阳吸收器的示意图与参数，以及结构结果示意。(e) 分级超材料吸收器的制备过程与结构示意图；红外层的微波磁导率和红外屏蔽性能。(f) 超薄碳纳米片的制备路线；UCS的RL值二维投影图、粉末X射线衍射图和拉曼光谱。

图5：(a) 将PMLC样品置于模拟作战中的战斗机和坦克上，表现出优异的热伪装性能。(b) 通过原子层级调控Ti3C2Tx MXenes层厚诱导局域导电网络形成，作为高性能电磁干扰屏蔽的环境友好材料。(c) 用于健康监测的可穿戴生物传感器。(d) MXNVA气凝胶示意图，以及局部覆盖3 mm厚MXNVA涂层的高温坦克模型的可见光和红外热成像图。(e) 采用3D MGL电极组装的对称超级电容器；3D MGL SSC与其他先进超级电容器的能量密度和功率密度对比的Ragone图。(f) 三种不同状态下的离子传输。(g) 光学调制。

图6：(a) 面向智能识别的多功能触觉系统的概念与设计。(b) 面向下一代机器人和可穿戴器件的三轴触觉传感器。(c) FTMAPV示意图；通过调节温度，FTMAPV实现振幅可调和频率可调吸收。(d) 基于石墨烯的超表面（metasurface）示意图、等效传输线模型和外加电压示意图。(e) 垂直取向二维材料综述内容概览：合成、性质与应用。(f) 低维异质界面作为电催化新兴异质结构纳米材料。

图7：(a) 集成相变材料和热致变色涂层的MXenes/还原氧化石墨烯杂化气凝胶复合材料，用于可见/红外同步伪装。(b) 太赫兹泵浦-探测测量示意图、真空FTIR光谱仪下SLG的叠加透射曲线、单等离激元QCL的FTIR发射光谱，以及相应装置下的QCL功率密度。(c) 极化-导电网络与主客体工程；织物的多光谱探测与响应特性；多光谱隐身以及基于织物的无线驱动器示意图。

结论与展望

本文系统综述了石墨烯（graphene）、MXenes及其衍生体系在多光谱电磁响应中的研究图景、基础机制和器件创新，旨在突破传统电磁材料高吸收剂负载、单波段功能、环境适应性差和集成能力有限等长期瓶颈。在材料层面，二维材料凭借原子级厚度和可调电子结构，结合准一维（quasi-1D）、准二维（quasi-2D）和三维（3D）结构设计，实现了多光谱应用关键性能的协同优化。在机制层面，微波响应主要由自由电子传导和界面偶极弛豫主导，太赫兹响应依赖对称性破缺诱导的各向异性和束缚电子共振，光学响应则受带间跃迁和异质界面电荷分离控制，界面极化工程由此成为增强跨波段协同的关键策略。在器件层面，多波段器件通过异质结构集成与三维结构优化突破了单波段器件的“功能单一性”。尽管如此，实际部署仍需进一步发展跨域信号转换、环境驱动全谱重构、原子尺度界面极化工程、极端环境下跨域集成，以及低串扰、低能耗的动态谱响应可编程策略，并将生物相容性与环境可持续性纳入整体设计框架。

文献信息

2D Materials Enabling Intelligent Multispectral Electromagnetic Responses and Devices

(Adv. Mater., 2026, DOI: 10.1002/adma.73095)

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71735-y