تاريخ الاستلام: 10 فبراير 2024
تم القبول: 11 يونيو 2024
نُشر على الإنترنت: 05 يوليو 2024
(أ) التحقق من التحديثات

إن الانتشار الواسع لتكنولوجيا الجيل الخامس (5G) يعني زيادة كبيرة في قوة الموجات الكهرومغناطيسية (EMWs) في الفضاء، مما يرفع بشكل كبير الحاجة إلى تحقيق التوازن بين الأنشطة الأساسية للمراقبة ومخاوف الخصوصية ومعالجة القضايا الصحية الناجمة عن التعرض المطول. يلعب ماص EMW المناسب دورًا مهمًا في حل مثل هذه القضايا. تحقق المواد التقليدية لامتصاص EMW الامتصاص عند السماكة الرنانة من خلال التلاعب بخصائص التشتت. ومع ذلك، فإن عرض النطاق الفعال لامتصاصهم (EAB) مقيد بنطاق ضيق بسبب قيود السببية. تمتص المواد الميتامادية، من خلال بناء هياكل بشكل صناعي على مقاييس دون الطول الموجي، إمكانيات لا نهائية في توسيع نطاق الامتصاص الفعال للمواد الحالية، لا سيما في نطاق التيراهيرتز. الأشعة تحت الحمراء وطيف الضوء المرئي . ومع ذلك، لا يزال تحقيق امتصاص مثالي على نطاق ترددات الميكروويف فائق العرض، الذي يغطي كامل نطاق اتصالات الجيل الخامس، يمثل تحديًا كبيرًا بسبب الأطوال الموجية الطويلة والقدرة العالية على الاختراق لـ
الميكروويف لقد أظهرت المواد الميتامادية ثلاثية الأبعاد (3D) التي ظهرت مؤخرًا، والتي تستفيد من الهيكل الطوبولوجي ثلاثي الأبعاد، نطاق تردد واعد من خلال دمج الخسائر العازلة/المغناطيسية ورنين الانكسار. ومع ذلك، فإن أداء المواد الميتامادية ثلاثية الأبعاد يعتمد بشكل كبير على خصائص فقدان الموجات الكهرومغناطيسية للمواد نفسها. ، مع الأداء الأمثل عادةً ما يتضمن هياكل دقيقة/نانوية معقدة (مثل، جزيئات نانوية متعددة النواة والغلاف زهور نانوية وجزيئات نانوية هرمية هذا يهدد بشكل كبير استقرار الاقتران المغناطيسي الكهربائي للمواد، وبالتالي، متانة (أي، الحدوث المائل والمستقطب) الامتصاص لكل من التنفيذ التجريبي والإنتاج الضخم. لذلك، من الضروري استكشاف مواد ذات شكل بسيط/مستقر ولكنها تتمتع بفقدان قوي للموجات الكهرومغناطيسية لتسهيل تسويق المواد الميتامادية ثلاثية الأبعاد.

الإطارات المعدنية العضوية (MOFs)، التي تم بناؤها عن طريق تنسيق عقد المعادن غير العضوية مع الروابط العضوية، لديها العديد من الجوانب الجذابة

ميزات تشمل مساحة سطح عالية، مواقع نشطة قابلة للتعديل، وبنية بلورية قابلة للتحكم (مثل: القضبان، الأوراق، أو الأشكال المتعددة الوجوه) يمكن اختيار معظم المعادن للحصول على MOFs (خاصة المعادن المغناطيسية، مثل الحديد والكوبالت والنيكل)، مما يجعلها مرشحة واعدة في امتصاص EMW. . بالإضافة إلى ذلك، فإن الطبيعة المسامية لمركبات الإطار المعدني العضوي توفر مواقع نشطة وفيرة للتفاعلات مع الجزيئات أو الأيونات المحيطة، مما يعزز بشكل فعال استقطاب ماكسويل-واجنر، وبالتالي يؤدي إلى تحسين قدرة فقدان الموجات الكهرومغناطيسية. لسوء الحظ، فإن MOFs عادة ما تظهر موصلية كهربائية ضعيفة لأن المجموعات العضوية المرتبطة هي في الغالب عوازل ذات حجم صغير. الترافق المداري لذلك، تظهر معظم المواد العضوية المعدنية التقليدية (MOFs) قدرات امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية فقط بعد التحلل الحراري عند درجات حرارة عالية، حيث يتم تحويل إطار الربط إلى مواد كربونية مضافة بالمعادن. هذا لا يؤدي فقط إلى تكثيف مواد MOF ولكن أيضًا يقدم عدم يقين إضافي في طوبولوجيا الهياكل المستمدة من MOF. .

تظهر المواد العضوية المعدنية شبه الموصلة (SC-MOFs) تحسينًا كبيرًا في الموصلية الذاتية من خلال تعزيز الترافق على الوصلة العضوية واستخدام الوصلات المعدنية/العضوية الغنية بالإلكترونات. تتيح فجوة الطاقة المنخفضة والمواقع النشطة القابلة للتعديل في SC-MOFs نقل الشحنات بكفاءة، مما يضخ زخمًا كبيرًا في التحفيز. وحقول الطاقة بينما تظهر أيضًا إمكانيات هائلة في امتصاص EMW . ومع ذلك، لا تزال معظم المواد العضوية المعدنية الإطارية ذات المغناطيسية المتوسطة لأن اقتران الدوران لأيونات المعادن مقيد داخل هيكل MOF، ووجود الليغاندات ذات الحجم الكبير يعزز من إنشاء ترتيبات دوران عشوائية. نتيجة لذلك، فإن SC-MOFs عرضة بشدة لعدم التوازن في الاقتران المغناطيسي الكهربائي، مما يؤدي إلى أداء ضعيف في مطابقة المعاوقة. . من هذه المنظورات، يمكن أن يسمح دمج SC-MOFs مع مواد مغناطيسية قوية بتصميم عقلاني لتأثير اقتران مغناطيسي كهربائي متفوق، مما يعزز قدرات امتصاص EMW لـ SC-MOFs ويزيد من EAB بشكل أكبر عند تطبيقه في المواد الميتامادية ثلاثية الأبعاد. في
بالإضافة إلى ذلك، فإن الشكل البلوري المستقر والقابل للتعديل لمركبات MOF ذات الهيكل الثنائي الأبعاد (2D) الشبيه بالورقة، المصاحب لطريقة تحضير خالية من التحلل الحراري، يفتح آفاقًا جديدة لتطوير ممتصات المواد الميتامادية الفعالة والمتينة.

في هذا العمل، قمنا بنجاح بتصنيع ورقة ميكروية ثنائية الأبعاد من SC-MOF (CuHT) ودمجناها مع مسحوق الحديد الكربوني المتقشر (FCIPs)، مما أدى إلى تشكيل تجميع شبيه بالسندويتش ثنائي الأبعاد/ثنائي الأبعاد (CuHT-FCIP) (الشكل 1). تتميز المواد ثنائية الأبعاد بسماكة رقيقة أقل من عمق الجلد، مما يمكن أن يكسر حد سنوك ويعزز النفاذية المغناطيسية الأولية. علاوة على ذلك، كشفت المحاكاة النظرية أن الوصلة غير المتجانسة بين البلورات/البلورات لـ CuHT-FCIP تسهل استخراج الإلكترونات من سطح CuHT بواسطة ذرات الكربون التابعة لـ FCIP، مما يعزز توليد العديد من مسارات نقل الشحنات بين الطبقات وبالتالي يؤدي إلى فقدان قوي في الاقتران المغناطيسي الكهربائي. علاوة على ذلك، قمنا بتغليف CuHT-FCIP في راتنج إيبوكسي شفاف كهرومغناطيسي (CuHT-FCIP-EP) وحققنا تعديلًا فعالًا لنطاق الترددات (EAB) في النطاق من 2 جيجاهرتز إلى 18 جيجاهرتز. أخيرًا، قمنا بدمج CuHT-FCIP-EP في تصميم جديد للمواد الميتامادية ثلاثية الأبعاد، والذي يجمع بين تصميم مقاومة متدرج مع ثقب على شكل خلية نحل. تظهر المواد الميتامادية CuHT-FCIP-EP المحضرة حديثًا أداءً قويًا في امتصاص الموجات الدقيقة، مع نطاق ترددات عريض للغاية (EAB) من 2 جيجاهرتز إلى 40 جيجاهرتز، وقابلية تكيف مائلة واسعة للغاية ضمن وعدم الحساسية العالية للاستقطاب. بالإضافة إلى ذلك، فإن عملية التصنيع المباشرة والأداء الميكانيكي الممتاز تجعلها مناسبة تمامًا للإنتاج الضخم وتطوير ماصات EMW فائقة النطاق.

لإعداد مركبات CuHT-FCIP، قمنا أولاً بتصنيع MOF شبه الموصل ثنائي الأبعاد (CuHT) ومساحيق الحديد الكربوني الفلكي (FCIPs). تم تخليق CuHT باستخدام طريقة معدلة بدقة

الشكل 1 | توضيح تخطيطي لتحضير ماص الميتامواد CuHT-FCIP-EP. يتم تصنيع تجميع CuHT-FCIP ثنائي الأبعاد/ثنائي الأبعاد عن طريق غمر خليط CuHT و FCIP في محلول الإيثانول وتعريضه لعملية التنظيف بالموجات فوق الصوتية في الحمام.

بعد ذلك، يتم تغليف تجميع CuHT-FCIP في راتنج الإيبوكسي بنسبة محددة. أخيرًا، يتم معالجة نسب مختلفة من راتنج الإيبوكسي CuHT-FCIP بشكل متتابع في القالب المصمم للمواد الميتامادية لإنتاج مواد ميتامادية CuHT-FCIP-EP.

الشكل 2 | التوصيف الهيكلي لمركب CuHT-FCIP. صور SEM لـ CuHT، b FCIP، c مركبات CuHT-FCIP. d-e نتائج رسم الخرائط العنصرية المقابلة لـ و S . توزيع خطوط التدفق المغناطيسي لمركب FCIP-CuHT الساندويتش المحسوب من الهولوجرام المحوري المقابل (الإدراج). صور AFM لمركب CuHT-FCIP الساندويتش. عرض لـ CuHT، FCIP و
j هياكل مركبات FCIP على طول المحور. كثافة الشحنة التفاضلية لمركب CuHT-FCIP بين أسطح الاتصال (الألوان الفيروزية والصفراء الساطعة تمثل انخفاض وتغذية الإلكترون، على التوالي). كثافة الحالات لـ CuHT و FCIP. وظيفة العمل لـ CuHT و FCIP.
تحكم في النمو والتبلور على طول المستوى البلوري المحدد. المنتجات الناتجة من CuHT لها شكل رقيق مستطيل ثنائي الأبعاد بمتوسط نسبة الطول إلى العرض حوالي 1.70 (الشكل 2a والشكل التكميلي 1). بالإضافة إلى ذلك، يظهر CuHT خصائص شبه موصلة نموذجية، مع فجوة نطاق تبلغ 2.87 eV وموصلية كتلية لـ (الشكل التكميلي 2). تم طحن مسحوق الحديد الكربوني الكروي التجاري (SCIPs) للحصول على FCIPs. ثم خضعت FCIPs الناتجة لمعالجة تقسية الهيدروجين قبل الاستخدام. تم استخدام هذه المعالجة لتعزيز المغناطيسية عن طريق تقليل وجود الشوائب مثل و . الشكل النهائي لـ FCIPs له شكل قرص دائري بقطر حوالي ، والذي يتطابق بشكل وثيق مع أبعاد CuHT
(الشكل 2b). تشير هذه الخاصية الفريدة من نوعها أيضًا إلى توافق ممتاز بين CuHT و FCIP من حيث أدائهما المغناطيسي الكهربائي.

كثافة التعبئة لـ CuHT هي فقط ، وهو ما يمثل فقط من تلك الخاصة بـ FCIP. لذلك، فإن مجرد خلطهما سيؤدي حتمًا إلى تمايز، مما يؤدي إلى فشل في إنشاء اقتران بين CuHT و FCIP. في هذا العمل، نتناول هذه المشكلة من خلال إدخال الطاقة فوق الصوتية في النظام. أثناء السونication في الإيثانول، تبدأ أيونات Cu من سطح CuHT في الذوبان، تاركة نهايات ثيول غير منسقة (-SH). كما يتضح من نتائج طيف الإلكترون بالأشعة السينية (XPS)، فإن هذه المجموعات -SH ترتبط بعد ذلك مع Fe في FCIP، مما يشكل روابط Fe-S أكثر استقرارًا بكثير (الشكل التكميلي

الشكل 3). يتم توزيع مركبات CuHT-FCIP الناتجة بشكل موحد في محلول الإيثانول (الشكل التكميلي 4). تظهر صورة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن مركب CuHT-FCIP يظهر بنية ميكروية طبقية نموذجية (الشكل 2c). تؤكد صورة المجهر الذري (AFM) بشكل أكبر على الهيكل الشبيه بالسندويتش حيث يتم تكديس CuHT و FCIP مع مناطق متداخلة من تركيبات مختلفة. (الشكل 2g). تكشف نتائج رسم الخرائط لطيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) عن التوزيع المتجانس للعناصر المختلفة داخل المادة المركبة (الشكل 2d، e). بالإضافة إلى ذلك، تظهر نتائج الهولوجرافيا الإلكترونية أن خطوط التدفق المغناطيسي الشاردة لا تشع فقط في الفضاء الحر لتشكيل تفاعل مغناطيسي بعيد المدى ولكن أيضًا تتفاعل مع مجالات FCIP المجاورة لتحقيق اقتران متعدد المجالات من خلال ترتيبات ربط التدفق (الشكل 2f)، مما يحقق شبكة اقتران مغناطيسية متصلة. هذا يضع أساس الفقد المغناطيسي في مركب CuHT-FCIP.

شبكة الاقتران 2D/2D في مركب CuHT-FCIP تزيد بشكل فعال من مساحة الاتصال للمواد الورقية، مما يسهل تشكيل مسارات نقل الإلكترون. لإثبات ذلك، قمنا بإجراء حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتحليل آلية نقل الشحنة عند الواجهة غير المتجانسة بين CuHT و FCIP. تم بناء أوضاع CuHT و FCIP أولاً وفقًا للمعلومات الهيكلية السابقة (الشكل 2h، i). تُستخدم كثافة الحالات (DOS) لكشف نقل الإلكترون في مركب CuHT-FCIP. كثافة DOS لـ CuHT أعلى من تلك الخاصة بـ FCIP، مما يشير إلى تراكم الإلكترونات في CuHT (الشكل 2l، m). تميل أعداد كبيرة من الإلكترونات إلى الانتقال من CuHT إلى FCIP بدلاً من العكس. بالإضافة إلى ذلك، عندما يتم دمج مادتين، يُعتقد عمومًا أن الإلكترونات تهاجر بسهولة أكبر من المادة ذات وظيفة العمل الأقل ( ) إلى المادة ذات الأعلى. بناءً على ذلك، فإن القيم المحسوبة لـ لـ CuHT و FCIP هي 3.252 eV و 6.049 eV، على التوالي (الشكل 2n، o). لذلك، ستهاجر الإلكترونات على CuHT نحو FCIP للوصول إلى توازن مستوى فيرمي.

يمكن أن تكشف كثافة الشحنة التفاضلية بشكل بديهي وواضح عن توزيع الشحنة على مركبات CuHT-FCIP. مقارنة بالحالة قبل الدمج (الشكل 2j)، أعيد ترتيب كثافة الشحنة بعد دمج CuHT مع FCIP (الشكل 2k). يمكن رؤية بوضوح أن الإلكترونات يتم استخراجها من سطح CuHT بواسطة ذرات C التي تنتمي إلى FCIP. هذه الظاهرة تثبت مرة أخرى الألفة الإلكترونية لـ FCIP، مما يسهل نقل الشحنة بين الواجهات غير المتجانسة ويؤدي إلى استقطاب واجهي، مما يعزز إنشاء شبكة اقتران مغناطيسي كهربائي ويعزز قدرة فقد EM للمادة.

بفضل تأثيرات الاقتران المغناطيسي والكهربائي بين الطبقات الغنية لمركبات CuHT-FCIP، نقوم بتغليفها بمادة راتنجية شفافة كهرومغناطيسية (EP) لتقييم أدائها في امتصاص EMW. يتم تقديم خسائر الانعكاس (RLs) لمواد المركب تحت نسب كتلة مختلفة (الجدول التكميلي 1) في الشكل 3 والشكل التكميلي 5. يظهر العينة التي تحتوي فقط على CuHT (CuHT-EP) عرض نطاق امتصاص فعال (EAB) يبلغ 2.61 GHz فقط. يُعزى ذلك بشكل رئيسي إلى فقد التوصيل الكهربائي لـ CuHT نفسه والاستقطاب الواجهى الغني بين الهياكل الطبقية ثنائية الأبعاد (الشكل التكميلي 6) . على الرغم من الأداء المعتدل، فإن هذا يشير إلى إمكانيات MOFs شبه الموصلة في قدرات امتصاص EMW. يظهر FCIP-EP تطابقًا ضعيفًا في الممانعة عند نسبة كتلة منخفضة من (EAB 1.03 GHz ). ومع ذلك، مع زيادة محتوى FCIP إلى ، هناك تحسين ملحوظ في أداء امتصاص EMW، حيث يصل EAB إلى 5.02 GHz. من الجدير بالذكر بشكل خاص تحقيق الحد الأدنى من خسارة الانعكاس ( ) بمقدار -55 ديسيبل (على مدى فقد)، خاصة في النطاق الترددي المنخفض ( ). يُعزى ذلك بشكل أساسي إلى الخصائص الفيرومغناطيسية الممتازة بالإضافة إلى الشكل الطبقي شبه ثنائي الأبعاد لـ FCIP، مما يعزز بشكل كبير
fقد الرنين الطبيعي/التبادلي بين الطبقات (الشكل التكميلي 7). من ناحية أخرى، فإن الموصلية الكهربائية المنخفضة لـ FCIP نفسها تؤدي إلى عدم تطابق في الاقتران المغناطيسي الكهربائي سواء عند إضافتها بكميات زائدة أو غير كافية (الشكل التكميلي 8). لذلك، قد يكون محتوى FCIP حاسمًا في تعديل الأداء العام لامتصاص نظام مركب CuHT-FCIP.

لاستكشاف تأثير محتوى FCIP على أداء امتصاص EMW لنظام مركب CuHT-FCIP-EP، قمنا بإعداد ثلاث عينات بنسب مختلفة من CuHT/FCIP: (CuHT-FCIP-EP-S1)، 3:3 (CuHT-FCIP-EP-S2)، و (CuHT-FCIP-EP-S3). كما هو موضح في الشكل 3a-c والشكل التكميلي 9، يظهر نظام مركب CuHT-FCIP-EP أداءً محسّنًا بشكل ملحوظ في امتصاص EMW مقارنة بالمكونات الفردية. على وجه التحديد، يظهر CuHT-FCIP-EP-S1 EAB يبلغ 5.44 GHz وقيمة تبلغ -52 ديسيبل (على مدى فقد) عند 14.6 GHz. مع زيادة نسبة FCIP/CuHT، يتحول موقع الامتصاص الأقوى بشكل عام نحو ترددات أقل، وتتناقص السماكة المقابلة لأقصى EAB تدريجيًا. يُعزى ذلك بشكل رئيسي إلى الخصائص الفيرومغناطيسية لـ FCIP، التي تعزز بشكل كبير فقد المغناطيسية لـ EMW وفقًا لنظرية خط النقل الكلاسيكية . يظهر CuHT-FCIP-EP-S2 EAB يبلغ 6.16 GHz و تبلغ -61 ديسيبل (على مدى فقد) عند 5.2 GHz، مما يشير إلى أن تأثير الاقتران المغناطيسي الكهربائي ثنائي الأبعاد/ثنائي الأبعاد لمركب CuHT-FCIP يصل إلى ذروته عند هذه النسبة.

عامل فقد العزل ( ) وعامل فقد المغناطيسية ( ) يقيسان كفاءة فقد الطاقة الكهربائية والمغناطيسية عند التعرض لمجال كهرومغناطيسي متناوب تشير القمم المتداخلة في مخطط معامل الفقد الكهربائي/المغناطيسي المعتمد على التردد إلى فقدان قوي في الاقتران المغناطيسي الكهربائي، مما يدل عادةً على امتصاص قوي لموجات الكهرومغناطيسية عند التردد المقابل. كما هو موضح في الشكل 3d-f، تظهر منحنيات معامل الفقد الكهربائي والمغناطيسي ثلاث قمم بارزة، تقريبًا عند ، و . بالنسبة لـ CuHT-FCIP-EP-S1، فإن مواقع القمم في النطاق متقارب تقريبًا. في CuHT-FCIP-EP-S2، تُلاحظ اتجاهات متعارضة في و نطاقات. وبالمثل، بالنسبة لـ CuHT-FCIP-EP-S3، فإن الاتجاهات القمية في الـ النطاق تقريبًا متعاكس. تشير هذه النتائج إلى أن تعديل نسبة يسمح FCIP بالتحكم الفعال في ترددات المطابقة المغناطيسية الكهربائية، مما يمكّن من تشتت طاقة EMW ضمن نطاق تردد معين.

المقاومة السطحية المحسوبة تظهر النتائج أن S1 و S2 و S3 لها مقاومة تعادل مقاومة الهواء (أي، عند ترددات 2.9 جيجاهرتز و 5.0 جيجاهرتز و 14.0 جيجاهرتز، على التوالي (الشكل 3g). هذا يتماشى مع تحليل الاقتران المغناطيسي الكهربائي، مما يشير إلى أن الاقتران ثنائي الأبعاد/ثنائي الأبعاد لـ CuHT-FCIP يمكن أن يحقق بشكل فعال كل من فقدان الطاقة الكهرومغناطيسية القوي وتطابق مقاومة السطح. محاكاة المقطع العرضي للرادار (RCS) نتائج لـ تشير اللوحة المسطحة إلى أن CuHT-FCIP-EP-S2 يمكن أن تصل إلى أقصى تقليل في RCS يصل إلى مقارنةً بالموصل الكهربائي المثالي (PEC). وهذا يبرز الأداء الممتاز في التخفي لموجات الكهرومغناطيسية (EMW) لمادة CuHT-FCIP-EP (الشكل 3h). مقارنةً بمواد الكربون المشتقة من MOF التي تم الإبلاغ عنها مؤخرًا، تُظهر CuHT-FCIP-EP مزايا لا مثيل لها من حيث EAB، والسماكة، وأقصى كثافة امتصاص (الشكل 3i). والأهم من ذلك، أنها تقدم عملية تحضير خالية من التحلل الحراري، مما يميزها أكثر.

على الرغم من أن الاقتران المغناطيسي الكهربائي ثنائي الأبعاد/ثنائي الأبعاد لهيكل CuHT-FCIP الشبيه بالسندويتش يمنح المادة أداءً ممتازًا في تقليل الموجات الكهرومغناطيسية. إلا أن عرض نطاق الطاقة (EAB) لمركب CuHT-FCIP-EP يبقى دون المستوى الأمثل بسبب قيود السببية. . بالإضافة إلى ذلك، تخضع المواد الممتصة لموجات الكهرومغناطيسية المعتمدة على التشتت لتغيرات في طاقة الانكسار والمسار البصري عندما يتغير زاوية السقوط بشكل كبير، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في كفاءة الامتصاص. .

الشكل 3 | أداء امتصاص EMW لمركب CuHT-FCIP-EP. أ-ج مخططات كونتور ثنائية الأبعاد لقيم RL مقابل التردد عند سماكات مختلفة للعينات S1-S3. تم توفير بيانات المصدر كملف بيانات مصدر. فقدان العازل ، الأحمر) وفقدان المغناطيسية ( المنحنيات الزرقاء) لعينة S1-S3. تم توفير بيانات المصدر كملف بيانات المصدر. ج. مقاومة السطح النسبية ( ) من العينة

S1-S3. يتم توفير بيانات المصدر كملف بيانات المصدر. قيم RCS المحاكاة للعينات تحت زوايا سقوط مختلفة عند 10 جيجاهرتز. i مقارنة خصائص امتصاص EMW مع المركبات المبلغ عنها مؤخرًا المستمدة من MOFs. البيانات ذات الصلة ملخصة في الجدول التكميلي 2.

تم الإبلاغ مؤخرًا عن المواد الميتامادية ثلاثية الأبعاد التي تجمع بين مزايا المواد الميتامادية ثنائية الأبعاد التقليدية والمواد الممتصة. هذه المواد لا تقلل فقط من طاقة الموجات الكهرومغناطيسية بشكل مباشر، بل تحقق أيضًا مزيدًا من التخفيف من خلال الرنين الهيكلي والانعكاسات الثانوية من هيكل التجويف. ونتيجة لذلك، يمكن أن تتجاوز الحد الأدنى من السماكة الذي تفرضه السببية وتعزز بشكل كبير من قدرة الامتصاص الكهرومغناطيسي للمواد الأصلية. . بالإضافة إلى ذلك، بسبب إدخال الهياكل الطوبولوجية، فإن تدهور الامتصاص تحت ظروف السقوط المائل والمستقطب يكون أيضًا أقل بكثير من ذلك للمواد التقليدية المسطحة. لذلك، فإن الجمع بين CuHT-FCIP المُعد حديثًا وتصميم هيكل ميتامواد ثلاثي الأبعاد مناسب يحمل إمكانيات كبيرة.

نقترح نهج تصميم مادة ميتا يتضمن طبقة مطابقة للممانعة المتدرجة مع ثقب على شكل خلية نحل، مما يوسع بنجاح نطاق الترددات الفعالة لمركب CuHT-FCIP-EP. تتكون وحدة الخلية من ثلاث طبقات من المواد (S1-S3) مكدسة معًا. تشكل هذه الطبقات معًا هيكلًا هرمياً مقطوعًا مع ثقوب على شكل خلية نحل في الأعلى (الشكل 4a). يتم تعريف وحدة الخلية الكلية بواسطة 12 معلمة: سبع معلمات أفقية (L1-L7) وخمس معلمات عمودية (T1-T5). قمنا أولاً بتحسين ترتيب الطبقات الثلاث من خلال إنشاء هيكل الوحدة. تكشف النتائج أنه عند ترتيبها من الأعلى إلى الأسفل كـ S1-S2-S3، فإن القوة
تتطابق وتترابط مساهمات الخسارة للمواد بشكل مثالي عبر نطاق الترددات المنخفضة )، نطاق الترددات المتوسطة ( ) ، ونطاق الترددات العالية ( ). (الشكل 4ب) هذا يتوافق مع تردد مطابقة مقاومة الخصائص لكل مادة من طبقات الشكل 3ج ويضمن في النهاية امتصاصاً عريض النطاق عبر الكل نطاق (الشكل التوضيحي التكميلي 10، الجدول التكميلي 3). بعد ذلك، تم تحسين معلمات الهيكل المختلفة للمواد الميتامادية من خلال المحاكاة باستخدام EAB كدالة هدف (الشكل التوضيحي التكميلي 11). في النهاية، قمنا بتحديد معلمات الهيكل للمواد الميتامادية (الجدول التكميلي 4) وصنعنا عينة اختبار المواد الميتامادية CuHT-FCIP-EP التي تقيس (الشكل 4 أ، في الإطار).

لفهم آلية التوهين لمتريال CuHT-FCIP-EP بشكل أفضل، يتم تحليل كثافات تدفق الطاقة السطحية وكثافات الحقول الكهربائية/المغناطيسية للهيكل الوحدوي (الشكل 4c والشكل التكميلي 12). وفقًا لمنحنيات الانعكاس المحاكية، يظهر ماص المتريال CuHT-FCIP-EP أربع قمم امتصاص بارزة ضمن نطاق التردد . على وجه التحديد، فإن القمم عند 16.1 جيجاهرتز و 32.2 جيجاهرتز تُعزى بشكل رئيسي إلى رنين السماكة عند و (طول الموجة)، بينما تُنسب القمم عند 3.82 جيجاهرتز و22.0 جيجاهرتز بشكل أساسي إلى رنين الطبقة السفلية (S3) وهيكل قرص العسل. . (الشكل 5أ

الشكل 4 | تصميم ماص الميتامواد واسع النطاق. أ رسم تخطيطي لماص المقترح، المعلمات الهيكلية، وعينة الميتامواد المُعدة. مساهمة فقدان الطاقة المعتمدة على التردد لنموذج اللوح ثلاثي الطبقات (S1-S2-S3) المستمدة من محاكاة العناصر المحدودة الكهرومغناطيسية. الصورة المصغرة: نموذج المحاكاة ( خلية الوحدة). يتم توفير بيانات المصدر كملف بيانات المصدر. ج توزيع المجال الكهربائي، المجال المغناطيسي، وكثافة فقدان الطاقة
امتصاص المواد الميتامادية عند 3.82 جيجاهرتز و 31.0 جيجاهرتز. مخطط د-ج سميث للامتصاصات ذات الطبقة الواحدة والامتصاصات الميتامادية (يمثل الطرف الدائري الفارغ 2 جيجاهرتز، بينما يمثل الطرف الصلب 40 جيجاهرتز؛ المنطقة المظللة بالبرتقالي تمثل نطاق التذبذب من حول المعاوقة العادية بالقرب من معوقة المطابقة المثالية (أي، تم توفير بيانات المصدر كملف بيانات المصدر.
وشكل إضافي رقم 13). يسمح الثقب السداسي بزيادة دخول الموجات الكهرومغناطيسية ذات التردد المنخفض. وبالتالي، عند 3.82 جيجاهرتز، تظهر المجالات الكهربائية والمغناطيسية توزيعًا مركزًا في الطبقة السفلية من المادة الميتامادية. وهذا يشير إلى أن مادة الطبقة السفلية (أي CuHT-FCIP-EP-S3) تعمل بشكل أساسي على امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية في نطاق التردد المنخفض (شكل إضافي رقم 14). مع انخفاض الطول الموجي، تحدث تشوهات كبيرة في المجالات الكهربائية والمغناطيسية على سطح المادة، مما يشير إلى التأثيرات الهيكلية للمادة الميتامادية. تشير شدة المجالات الكهربائية والمغناطيسية القوية بالقرب من الخطوات وداخل الثقب السداسي إلى انكسارات حادة أو تشتت ثانوي في هذه المناطق. وبالتالي، من خلال دمج هياكل متعددة الطبقات ذات مقاومة متدرجة مع ثقوب سداسية، تحقق مادة CuHT-FCIP-EP الميتامادية امتصاصًا عريض النطاق من كل من فقدان المادة والتأثيرات الهيكلية. تتغلب هذه الآلية بفعالية على تأثير الجلد الذي تواجهه ممتصات الموجات الكهرومغناطيسية التقليدية ذات الطبقة الواحدة. كطريقة تمثيلية في الإلكترونيات، مخطط سميث يوفر نهجًا سريعًا وأقل حسابًا ورسمًا بيانيًا لتقييم أداء مطابقة المعاوقة. يسمح تحليل المسارات على مخطط سميث بإجراء فحص سريع للتأكد من أن الممتص يحقق المعاوقة في الفضاء الحر (مركز
الرسم البياني)، وبالتالي تحقيق امتصاص مثالي. كما هو موضح في الشكل 4د-ز، تؤدي هذه الظواهر إلى تطابق مقاومة قريب من المثالي لمادة CuHT-FCIP-EP الميتامادية، وهو ما لا يمكن تحقيقه بواسطة المواد الميتامادية ذات المكون الواحد. لذلك، يسمح التصميم الهيكلي العقلاني للماص أن يظهر استجابة كهرومغناطيسية قريبة من المثالية، ولكنه يمتلك أيضًا آليات فقد متعددة، مما يعزز من قدرته على امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية.

لتقييم أداء امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية لماص CuHT-FCIP-EP الميتامادي، تم معالجة مصفوفة الميتامادة إلى حجم قياسي ( ) عينة لوحة واختبارها باستخدام طريقة المجال البعيد (الشكل 5ب) مع قرنين منفصلين ( و ). تظهر النتائج أن ماص CuHT-FCIP-EP الميتامادي يحقق امتصاصًا فعالًا للموجات الكهرومغناطيسية عبر النطاق الترددي الكامل (الشكل 5أ). يتطابق عدد قمم الرنين في المنحنيات التجريبية والمحاكاة بشكل جيد، مع وجود انحرافات جزئية فقط في مواقع القمم، والتي يُعزى إليها على الأرجح انحرافات في الخصائص الكهرومغناطيسية بين الدفعات. بالمقارنة مع ماصات الميتامادة ثلاثية الأبعاد التي تم الإبلاغ عنها مؤخرًا، فإن الشكل 5 | أداء امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية. أ مقارنة بين الانعكاسية التجريبية والانعاكاسية المحاكاة لماص الميتامادة واسع النطاق.

صورة لعينة اختبار مادة CuHT-FCIP-EP الميتامادية. ج مقارنة بين أداء ماص الميتامادة المعتمد على CuHT-FCIP وبعض المواد الميتامادية ثلاثية الأبعاد النموذجية. تم تلخيص البيانات ذات الصلة في الجدول التكميلي 5. د-ز الانعكاسية التجريبية لماص الميتامادة عند زاوية سقوط مائلة تتراوح من
إلى تم قياسها في كل من الاستقطاب TE والاستقطاب TM. تم توفير بيانات المصدر كملف بيانات مصدر. رسم توضيحي تخطيطي لآلية الامتصاص متعددة المقاييس لماص CuHT-FCIP-EP الميتامادي. أنا أداء الكثافة لماص الميتامادة المقترح. ماص CuHT-FCIP-EP الميتامادي لا يظهر فقط عرض نطاق واسع للغاية (38 غيغاهرتز) ولكن أيضًا له سمك أرق (9.3 مم، فقط

من الحد الأدنى للسمك المتوقع بواسطة السببية)، مما يقدم تقدمًا كبيرًا (الشكل 5ج). علاوة على ذلك، حسب علمنا، فإن -15 ديسيبل EAB (نطاقات التردد عندما ), 35.85 غيغاهرتز، يُعتبر أيضًا من بين الأوسع في الأدبيات (الشكل التكميلي 15). في بيئة كهرومغناطيسية معقدة، يجب أن يتم متوسط أداء ماص الموجات الدقيقة عبر زوايا سقوط مائلة مختلفة تحت استقطابات عشوائية. لذلك، من المهم جدًا تقييم متانة امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية مع استقطابات مختلفة وكذلك مع زوايا سقوط مائلة. في وضع الاستقطاب الكهربائي العرضي (TE)، يحافظ ماص CuHT-FCIP-EP الميتامادي على أداء متسق دون تدهور كبير حتى

، محققًا EAB قدره 38 غيغاهرتز في جميع الحالات. حتى عند زيادة زاوية السقوط إلى ، لا يزال يحتفظ بـ EAB يزيد عن 34.2 غيغاهرتز (الشكل 5د، هـ). هذه القابلية الممتازة للتكيف مع الزوايا تنبع أساسًا من عاملين: أولاً، الهيكل المخروطي يميل بشكل طبيعي سطح الميتامادة عند حوالي ، مما يقلل بشكل كبير من زاوية السقوط الحقيقية بالنسبة لجوانب الميتامادة؛ ثانيًا، الثقوب السداسية على السطح العلوي والمسافات بين الوحدات تخلق فراغات يمكن أن تحفز انعكاسات ثانوية إضافية عند زوايا سقوط كبيرة، خاصة للموجات الكهرومغناطيسية ذات الطول الموجي الأقصر (الشكل 5ح). يمكن تأكيد ذلك بشكل أكبر من خلال الانخفاض الكبير في RL عند النطاقات الترددية العالية (
). بالإضافة إلى ذلك، بفضل تناظر C4 في تصميم الوحدة، يظهر ماص الميتامادة عدم حساسية للاستقطاب. يظهر CuHT-FCIP-EP الميتامادي أداء امتصاص متسق وفعال في وضع الاستقطاب المغناطيسي العرضي (TM) عبر زوايا السقوط ضمن ، مع EAB يتجاوز 35.52 غيغاهرتز في جميع الحالات (الشكل 5ف، ج). الأداء الميكانيكي للمواد مهم بنفس القدر للمواد الميتامادية الكهرومغناطيسية، خاصة في تطبيقات الفضاء حيث تكون القوة المحددة حاسمة. توفر المواد الميتامادية ذات القوة المحددة الأعلى دعمًا هيكليًا إضافيًا لمنع تلف الاهتزاز، كما تعزز من كفاءة الطاقة. على الرغم من الكثافة العالية لـ FCIP، يظهر ماص CuHT-FCIP-EP الميتامادي كثافة منخفضة بشكل مثير للإعجاب (

) بفضل CuHT ( ) و EP ( ) منخفضة الكثافة بطبيعتها (الشكل 5ي). تتمتع مركبات Cu-FCIP-EP بمرونة مثيرة للإعجاب تصل إلى 75 ميغاباسكال. لذلك، يظهر ماص Cu-FCIP-EP الميتامادي قوة ضغط محددة تصل إلى ، مما يبرز أدائه الاستثنائي في القوة الميكانيكية (الشكل التكميلي 16). نقاش

وعدم حساسية الاستقطاب TE/TM). على الرغم من أداء الامتصاص الملحوظ، فإن عملية التصنيع المباشرة والأداء الميكانيكي الممتاز تجعل مادة CuHT-FCIP-EP الميتامادية مناسبة تمامًا لتطوير وإنتاج جماعي لماصات الموجات الكهرومغناطيسية الوظيفية واسعة النطاق. طرق

تخليق CuHT: تم تخليق CuHT من خلال طريقة معدلة بناءً على عمل سابق

. عادةً، تم إذابة 39.6 مليمول من 4-ميركابتوفينول (5.0 غرام) و21.0 مليمول من أكسيد النحاس (3.0 غرام) بالموجات فوق الصوتية في 200 مل و100 مل من الإيثانول اللامائي، على التوالي. ثم تم خلط المحلولين في دورق دائري سعة 500 مل وتفاعلها عند لمدة 48 ساعة في جو من الأرجون. بعد ذلك، تغير لون المحلول من الأحمر الطوبي إلى الأصفر الداكن. بعد ذلك، تم تصفية الرواسب وغسلها عدة مرات بالإيثانول اللامائي، N، N-ثنائي ميثيل الفورماميد، الماء المقطر، والأسيتون حتى تم الحصول على منتجات CuHT باللون الأصفر الرمادي مع عائد قدره . تحضير FCIPs: تم غربلة مسحوق الحديد الكربوني الكروي (SCIPs) الذي يحتوي على نسبة حديد لا تقل عن

للحصول على نطاق حجم مرغوب ( ). ثم، تمت إضافة كرات طحن من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 (بأقطار و و5 مم بنسبة كتلة 1:6:2:1، على التوالي) إلى وعاء الخلط في نسبة 18:1 بالنسبة لـ SCIP، مع كمية مناسبة من الإيثانول اللامائي لتسهيل التشتت. تم ضبط سرعة ومدة الطحن الكروي على 300 دورة في الدقيقة و10 ساعات. بعد الطحن الكروي، تم غسل FCIPs بالأسيتون وتجفيفها في فرن مفرغ عند لمدة 12 ساعة. أخيرًا، تم تنشيط FCIPs المجففة في جو من الهيدروجين (20.95 SCCM) لمدة للحصول على المنتج النهائي لـ FCIPs.

تحضير مركبات CuHT-FCIP-EP: لتحضير مركبات CuHT-FCIP-EP، تم أولاً تحضير مركبات CuHT-FCIP. عادةً، تم خلط CuHT وFICPs بنسب كتلة مختلفة في محلول الإيثانول ثم تم تعريضها للموجات فوق الصوتية (40 واط) في جو من النيتروجين عند لمدة 6 ساعات. بعد ذلك، تم طرد المحلول المعالج ( ) وتم تجفيف الرواسب في الفراغ عند لمدة 12 ساعة للحصول على منتجات CuHT-FCIP. بعد ذلك، تم وزن مركبات CuHT-FCIP وخلطها مع راتنج الإيبوكسي (EP) بنسبة كتلة موضحة في الجدول التكميلي 1، ثم تم تفريغها (0.1 بار) عند لمدة 30 دقيقة. ثم تم صب الراتنج المختلط في القالب المناسب المصنوع من بولي تترافلورو إيثيلين للتصلب. شمل عملية التصلب التصلب المسبق عند لمدة 3 ساعات، العلاج عند لمدة 5 ساعات، والمعالجة اللاحقة في لمدة ساعتين بمعدل تسخين/تبريد تم تحضير مركبات CuHT-EP و FCIP-EP و FICP-EP-H وفقًا لنفس الإجراءات.

تحضير المادة الميتامادية CuHT-FCIP-EP: لتحضير المادة الميتامادية CuHT-FCIP-EP، يتم استخدام قالب من مطاط السيليكون مع مواصفات محددة
تم تصنيع الميزات لأول مرة. تم تصنيع المادة الميتامادية بناءً على عملية تشكيل متعددة الخطوات: (1) تم صب كمية محددة من راتنج CuHT-FCIP-EP-S1 غير المعالج بعناية في قالب مطاطي سيليكوني لملء الجزء السفلي من القالب (الطبقة العلوية من المادة الميتامادية). (2) بعد المعالجة لمدة ساعتين، تم صب راتنج CuHT-FCIP-EP-S2 غير المعالج بعناية في القالب المطاطي السيليكوني لملء الطبقة الوسطى. (3) بعد المعالجة لمدة ساعتين إضافيتين، تم صب راتنج CuHT-FCIP-EP-S3 غير المعالج بعناية في القالب المطاطي السيليكوني لملء بقية التجاويف (الطبقة السفلية من المادة الميتامادية). (4) أخيرًا، بعد ثلاث ساعات إضافية من المعالجة، تم الحصول على مواد ميتامادية CuHT-FCIP-EP مع تركيبات S1-S3 من الأعلى إلى الأسفل من خلال عملية إزالة القالب الكاملة.

الخصائص: تم قياس السماحية المعقدة والنفاذية لجميع العينات باستخدام محلل الشبكة المتجهة (VNA، M5463228، أنريتسو، اليابان) مع الموجّه الكوكسالي القياسي. تم تصنيع العينات المختبرة باستخدام القالب المناسب بقطر خارجي يبلغ 7.00 مم وقطر داخلي يبلغ 3.04 مم. تم حساب قيم RL بناءً على نظرية خط النقل وفقًا للمعادلات التالية. :

أين و هي النفاذية المعقدة النسبية ( ) و النفاذية المعقدة ( )، على التوالي. تشير إلى تردد الموجات الكهرومغناطيسية، وسرعة الضوء، وسمك العينة، على التوالي، وتمثل المقاومة المدخلة الطبيعية للعينة المختبرة. الخسارة dielectrique ( ) وعامل فقدان المغناطيسية يتم حسابها وفقًا للمعادلة التالية:

انعكاسية المجال البعيد ( تم قياس (CuHT-FCIP-EP) للمواد الميتامادية داخل غرفة مظلمة للأمواج الدقيقة. اعتمدنا على زوجين من الهوائيات ذات الحواف المزدوجة، التي كانت مسؤولة عن نطاقات التردد. و للنطاق الترددي المستهدف، كانت هوائي واحد يعمل كمرسل والآخر كمتلقي. كانت الهوائيات متصلة بجهاز تحليل الشبكة عبر كابلات محورية كانت تردد القطع لها أعلى من 40 جيجاهرتز. تم استخدام لوحة نحاسية مسطحة بسماكة 2.0 مم بنفس الأبعاد الجانبية للعينة لمعايرة كل قياس. قمنا بتغيير استقطابات الموجات الميكروية الساقطة عن طريق تدوير زاوية الهوائي. يتم تغيير زاوية السقوط عن طريق التحكم في موضع الهوائي المثبت على الرف نصف الدائري. كان نطاق قياس زاوية السقوط هو ، وتم تعيين حجم الخطوة إلى لجمع البيانات.

جميع طرق اختبار الأداء المتبقية أو تفاصيل التوصيف (توصيف المواد، اختبار فجوة الطاقة، الاختبارات الميكانيكية، تقنيات المحاكاة الجزيئية والكهرومغناطيسية) مدرجة في وثيقة المعلومات الداعمة.

يعلن المؤلفون أن جميع البيانات التي تدعم نتائج هذه الدراسة متاحة ضمن المقال والمعلومات التكميلية. جميع البيانات الأخرى متاحة من المؤلفين المراسلين عند الطلب. يتم توفير بيانات المصدر مع هذه الورقة.

يُعرب المؤلفون عن شكرهم للدعم المقدم من صندوق العلوم الوطنية للعلماء الشباب المتميزين (52025034، ج.ك.)، ومؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية في الصين (52203101، ر.إكس.)، ومؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية في الصين (21875190، ج.ك.)، والبرنامج الوطني الرئيسي للبحث والتطوير في الصين (2022YFB3807101، ج.ك.)، وفريق الابتكار لعلماء شانشي سانكين (ج.ك.)، ومؤسسة الابتكار لأطروحة الدكتوراه في جامعة شمال غرب البوليتكنيك (CX2024095، ن.ك.).

ساهم N.Q. و H.S. بالتساوي في هذا العمل. أشرف J.K. على المشروع. قام N.Q. و R.X. و J.K. بتصميم التجارب. نفذ N.Q. و H.S. و Y.S. و M.H. التجارب وجمعوا البيانات. قام N.Q. و R.X. و J.G. و J.K. بتحليل البيانات وصياغة المسودة. دعم جميع المؤلفين الصياغة النهائية للمسودة.

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على
المواد التكميلية متاحة على
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49762-4.
يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى رويزه شينغ أو جي كونغ.

معلومات مراجعة الأقران تشكر مجلة Nature Communications يي هوانغ والمراجعين الآخرين المجهولين على مساهمتهم في مراجعة الأقران لهذا العمل. يتوفر ملف مراجعة الأقران.

معلومات إعادة الطباعة والتصاريح متاحة على
http://www.nature.com/reprints

ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينغر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح إذا ما تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فسيتعين عليك الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارةhttp://creativecommons.org/رخصة/بواسطة/4.0/.
(ج) المؤلفون 2024

Received: 10 February 2024
Accepted: 11 June 2024
Published online: 05 July 2024
(A) Check for updates

The widespread adoption of fifth-generation (5G) technology implies a magnitude increase in the power of electromagnetic waves (EMWs) in the space, significantly elevating the need to balance essential monitoring activities with privacy concerns and remediating health issues arising from prolonged exposure . A suitable EMW absorber plays an important role in resolving such issues. Conventional EMW absorption materials achieve absorption at the resonant thickness by manipulating the dispersion properties . Nevertheless, their effective absorption bandwidth (EAB) is constrained to a narrow range due to the limitations of causality . Metamaterial absorbers, by artificially constructing structures at subwavelength scales, demonstrate infinite potential in extending the EAB of existing materials, particularly in the terahertz , infrared , and visible light spectra . Nevertheless, achieving perfect absorption over an ultra-broad microwave frequency range, covering the entire 5 G communication band, still remains most challenging due to the long wavelengths and high penetrability of the
microwaves . The recently emerged three-dimensional (3D) metamaterials, leveraging the 3D topological structure, have showcased promising bandwidth by further incorporating dielectric/magnetic losses and diffraction resonances . However, the performance of 3D metamaterials relies heavily on the EMW loss properties of the materials themselves , with the most optimal performance typically include complex micro/nanostructures (e.g., multi-core-shell nanoparticles , nanoflowers and hierarchical nanoparticles ). This greatly compromise the stability of magnetoelectric coupling of materials and, hence, the robustness (i.e., oblique, and polarized incidence) of absorption for both experimental implementation and mass production. Therefore, it is crucial to explore materials with simple/stable morphology but strong EMW loss to facilitate the commercialization of 3D metamaterials.

Metal-organic frameworks (MOFs), constructed by coordinating inorganic metal nodes with organic ligands, have several appealing

features including high surface area, tunable active sites, and controllable crystal structure (e.g., rods, sheets, or polyhedron) . The majority of metals can be selected to obtain MOFs (especially magnetic metals, such as iron, cobalt, and nickel), which makes them promising candidates in EMW absorption . Plus, the porous nature of MOFs provides abundant active sites for interactions with the surrounding molecules or ions, effectively enhancing the Maxwell-Wagner polarization, thus leading to enhanced EMW loss ability . Unfortunately, MOFs typically exhibit poor electrical conductivity because the linking organic groups are mostly insulators with small -orbital conjugation . Therefore, most conventional MOFs show EMW absorption capabilities only after high-temperature pyrolysis, during which the ligand framework is transformed into metal-doped carbon materials . This not only leads to the densification of MOF materials but also introduces extra uncertainty in the topology of MOF-derived structures .

Semiconductive MOFs (SC-MOFs) show significantly improved intrinsic conductivity by enhancing the conjugation on the organic linker and utilizing electron-rich metal/organic linkers . The low bandgap and tunable active sites of SC-MOFs enable efficient interface charge transfer mobilities, injecting significant momentum to catalysis and energy fields , while also demonstrating tremendous potential in EMW absorption . However, most SC-MOFs still show moderate magnetism because the spin coupling of metal ions is constrained within the MOF structure, and the presence of large-size ligands promotes the establishment of random spin arrangements . As a result, SC-MOFs are highly susceptible to an imbalance in magnetoelectric coupling, leading to poor impedance matching performance . From these perspectives, the incorporation of SC-MOFs with strong magnetic materials could allow for the rational design of a superior magnetoelectric coupling effect, which not only enhances the EMW absorption capabilities of SC-MOFs but also expands the EAB further when applied in 3D metamaterials. In
addition, the stable and tunable crystal morphology of SC-MOFs, especially their two-dimensional (2D) sheet-like structure, attendant with a pyrolysis-free preparation method, opens up new opportunities for the development of efficient and robust EMW metamaterial absorbers.

In this work, we successfully fabricated a 2D micro-sheet of SC-MOF ( CuHT ) and integrated it with flake-layered carbonyl iron powders (FCIPs), resulting in the formation of a sandwich-like 2D/2D assembly (CuHT-FCIP) (Fig. 1). 2D materials have thin thickness below skin depth, which could break the Snoek limit and enhance the initial magnetic permeability . Moreover, theoretical simulation revealed that the crystal/crystal heterojunction of CuHT-FCIP facilitates the extraction of electrons from the CuHT surface by the C atoms belonging to FCIP, which promotes the generation of numerous interlayer charge-transfer pathways and thus leads to a strong magnetoelectric coupling loss. Furthermore, we encapsulated CuHT-FCIP in an electromagnetic transparent epoxy resin (CuHT-FCIP-EP) and achieved an effective modulation of the EAB in the range of 2 GHz to 18 GHz . Finally, we integrate CuHT-FCIP-EP into a novel 3D metamaterial design, which combines a gradient impedance design with honeycomb perforation. The as-prepared CuHT-FCIP-EP metamaterials show a robust microwave absorption performance, with an ultra-broad EAB from 2 GHz to 40 GHz , ultra-wide oblique adaptability within , and high polarization insensitivity. In addition, the straightforward manufacturing process and excellent mechanical performance make it well-suited for mass production and development of functional ultra-broadband EMW absorbers.

To prepared CuHT-FCIP composites, we first fabricated 2D semiconductive MOF (CuHT) and flake-layered carbonyl iron powders (FCIPs). CuHT was synthesized using a modified route to precisely

Fig. 1 | Schematic illustration of the preparation of CuHT-FCIP-EP metamaterial absorber. The CuHT-FCIP 2D/2D assembly is fabricated by immersing the CuHT and FCIP mixture in an ethanol solution and subjecting it to bath sonication.

Next, the CuHT-FCIP assembly is encapsulated in epoxy resin at a specific ratio. Finally, different proportions of CuHT-FCIP epoxy resin are sequentially cured in the designed metamaterial mold to produce CuHT-FCIP-EP metamaterials.

Fig. 2 | Structural characterization of CuHT-FCIP composite. SEM images of a CuHT, b FCIP, c CuHT-FCIP composites. d-e Corresponding element mapping results of and S . Magnetic flux line distribution of the FCIP-CuHT sandwich composite calculated from the corresponding off-axis hologram (Inset). AFM images of CuHT-FCIP sandwich composite. The view of CuHT, FCIP and
j FCIP composites structures along the axis. Differential charge density of CuHT-FCIP between contact surfaces (Turquoise and bright yellow colors represent the decrease and enrichment of electron, respectively). The density of states of CuHT and FCIP. The work function of CuHT and FCIP.
control the growth and nucleation along the specific crystal plane. The resulting CuHT products have a rectangular 2D flake morphology with an average length to width ratio of around 1.70 (Fig. 2a and Supplementary Fig. 1). In addition, CuHT exhibits typical semiconductor properties, with a bandgap of 2.87 eV and a bulk conductivity of (Supplementary Fig. 2). Commercial spherical carbonyl iron powders (SCIPs) were ball milled to obtain FCIPs. The resulting FCIPs then underwent hydrogen annealing treatment prior to utilization. This treatment was employed to enhance magnetism by reducing the presence of admixtures such as , and . The finally obtained FCIPs have a circular wafer shape with a diameter of about , which closely matches the dimension of CuHT
(Fig. 2b). This unique morphology matching characteristic also indicates an excellent compatibility between CuHT and FCIP in terms of their magnetoelectric performance.

The packing density of CuHT is only , which is merely of that of FCIP. Therefore, simply mixing them would inevitably result in stratification, thereby failing to establish coupling between CuHT and FCIP. In this work, we tackle this issue by introducing ultrasonic energy into the system. During sonication in ethanol, Cu ions from the surface of CuHT begin to dissolve, leaving uncoordinated thiol (-SH) terminals. As evidenced by the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results, these -SH groups then bond with Fe in the FCIP, forming much more stable Fe-S bonds (Supplementary

Fig. 3). The resulting CuHT-FCIP composites are uniformly dispersed in the ethanol solution (Supplementary Fig. 4). Scanning electron microscopy (SEM) image shows that CuHT-FCIP composite exhibit a typical layered microstructure (Fig. 2c). The atomic force microscopy (AFM) image further confirms the sandwich-like structure where CuHT and FCIP are layered with interspersed regions of differing composition. (Fig. 2g). The energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping results reveal the uniform distribution of the various elements inside the composite material (Fig. 2d, e). In addition, electron holography results show that stray magnetic flux lines not only radiate into the free space to form long-range magnetic interaction but also interact with neighboring FCIP domains to achieve multi-domain coupling via flux linkage arrangements (Fig. 2f), realizing a magnetically connected coupling network. This lays the foundation of magnetic loss in the CuHT-FCIP composite.

The 2D/2D coupling network in CuHT-FCIP composite effectively increases the contact area of the sheet materials, facilitating the formation of electron transport pathways. To prove this, we performed density-functional theory (DFT) calculations to analyze the charge-transfer mechanism at the crystal/crystal heterogeneous interface between CuHT and FCIP. The CuHT and FCIP modes were first constructed according to the previous structural information (Fig. 2h, i). The density of states (DOS) is used to reveal the electron transfer in the CuHT-FCIP composite. The DOS intensity of CuHT is higher than that of FCIP, indicating the accumulation of electrons in CuHT (Fig. 2l, m). A great number of electrons tend to migrate from CuHT to FCIP rather than the opposite. In addition, when two materials are combined, it is generally believed that electrons migrate more easily from the material with the lower work of function ( ) to the material with the higher . Based on this, the calculated for CuHT and FCIP are 3.252 eV and 6.049 eV , respectively (Fig. 2n, o). Therefore, the electrons on CuHT will migrate towards FCIP to reach the balance of Fermi level.

The differential charge density can intuitively and clearly reveal the charge distribution on the CuHT-FCIP composites. Compared with the status before combination (Fig. 2j), the charge density rearranged after the integration of CuHT with FCIP (Fig. 2k). It can be clearly seen that the electrons are extracted from the surface of CuHT by C atoms belonging to FCIP. This phenomenon once again proves the electron affinity of FCIP, which facilitates charge transfer between heterogeneous interfaces and gives rise to an interfacial polarization, thereby promoting the establishment of a magnetoelectric coupling network and enhancing the EM loss ability of the material.

Benefiting from the abundant interlayer magnetic and electric coupling effects of CuHT-FCIP composites, we further encapsulate them with an electromagnetic transparent epoxy (EP) resin to evaluate their EMW absorption performance. The reflection losses (RLs) for composite materials under different mass ratios (Supplementary Table 1) are presented in Fig. 3 and Supplementary Fig. 5. Sample containing only CuHT (CuHT-EP) demonstrates an effective absorption bandwidth (EAB) of only 2.61 GHz . This is mainly attributed to the electrical conduction loss of CuHT itself and the abundant interfacial polarization between the 2D layered structures (Supplementary Fig. 6) . Despite the moderate performance, this indicates the potential of semiconductive MOFs in EMW absorption capabilities. FCIP-EP exhibits poor impedance matching at a low mass fraction of (EAB 1.03 GHz ). However, as the content of FCIP increases to , there is a notable improvement in EMW absorption performance, with the EAB reaching 5.02 GHz . Particularly noteworthy is the achievement of a minimum reflection loss ( ) of -55 dB (over dissipation), especially in the low-frequency range ( ). This is primarily attributed to the excellent ferromagnetic properties as well as the quasi-two-dimensional layered morphology of FCIP, which greatly
enhances the interlayer magnetic natural/exchange resonance loss (Supplementary Fig. 7). On the other hand, the low electrical conductivity of FCIP itself results in a mismatch in magnetoelectric coupling either when added in excess or insufficient amounts (Supplementary Fig. 8). Therefore, the FCIP content could be crucial in modulating the overall absorption performance of the CuHT-FCIP composite system.

To further explore the effect of FCIP content on the EMW absorption performance of the CuHT-FCIP-EP composite system, we prepared three samples with different CuHT/FCIP ratios: (CuHT-FCIP-EP-S1), 3:3 (CuHT-FCIP-EP-S2), and (CuHT-FCIP-EP-S3). As depicted in Fig. 3a-c and Supplementary Fig. 9, the CuHT-FCIP-EP composite system demonstrates significantly enhanced EMW absorption performance compared to individual components. Specifically, CuHT-FCIP-EP-S1 exhibits an EAB of 5.44 GHz and a value of -52 dB (over dissipation) at 14.6 GHz. With an increased FCIP/CuHT ratio, the overall strongest absorption position shifts towards lower frequencies, and the corresponding thickness of the maximum EAB gradually decreases. This is mainly attributed to the ferromagnetic properties of FCIP, which significantly enhance the magnetic loss for EMW according to classic transmission line theory . CuHT-FCIP-EP-S2 exhibits an EAB of 6.16 GHz and an of -61 dB (over dissipation) at 5.2 GHz , indicating that the 2D/2D magnetoelectric coupling effect of CuHT-FCIP peaks at this ratio.

Dielectric loss factor ( ) and magnetic loss factor ( ) quantify the efficiency of electric and magnetic energy dissipation when subjected to an alternating electromagnetic field . The overlapping peaks in the frequency-dependent dielectric/magnetic loss factor diagram indicate a strong magnetoelectric coupling loss, which typically signifies a strong EMW absorption at the corresponding frequency. As shown in Fig. 3d-f, both the dielectric and magnetic loss factor curves exhibit three prominent peaks, approximately at , and . For CuHT-FCIP-EP-S1, the peak positions in the range are nearly aligned. In CuHT-FCIP-EP-S2, opposite trends are observed in the and ranges. Similarly, for CuHT-FCIP-EP-S3, the peak trends in the range are almost opposite. These results indicate that adjusting the ratio of FCIP allows for effective control of the magnetoelectric matching frequencies, which enables the EMW energy dissipation at a given frequency range.

The calculated surface impedance results reveal that S1, S2, and S 3 have an impedance equal to that of air (i.e., ) at 2.9 GHz , 5.0 GHz , and 14.0 GHz , respectively (Fig. 3g). This is consistent with the magnetoelectric coupling analysis, suggesting that the 2D/2D coupling of CuHT-FCIP can effectively achieve both strong electromagnetic energy loss and surface impedance matching. The radar cross section (RCS) simulation results for a flat panel indicate that CuHT-FCIP-EP-S2 can reach a maximum RCS reduction of up to compared to a perfect electric conductor (PEC). This highlights the excellent electromagnetic wave (EMW) stealth performance of CuHT-FCIP-EP (Fig. 3h). Compared to other recently reported MOF-derived carbon materials, CuHT-FCIP-EP demonstrates unparalleled advantages in terms of EAB, thickness, and maximum absorption intensity (Fig. 3i). More importantly, it offers a pyrolysis-free preparation process, distinguishing it further.

Although the 2D/2D magnetoelectric coupling of CuHT-FCIP sandwich-like structure endows the material with an excellent EMW attenuation performance. The EAB of CuHT-FCIP-EP composite remains suboptimal due to the constraint of causality . In addition, dispersion-based EMW absorbing materials undergo changes in refraction energy and optical path when the incident angle varies widely, which leads to a significant decrease in absorption efficiency .

Fig. 3 | EMW absorption performance of CuHT-FCIP-EP composite. a-c 2D contour diagrams of RL values versus frequency at different thicknesses for samples S1-S3. Source data are provided as a Source Data file. Dielectric loss ( , red) and magnetic loss ( , blue) curves of sample S1-S3. Source data are provided as a Source Data file. g Relative surface impedance ( ) of sample

S1-S3. Source data are provided as a Source Data file. Simulated RCS values of samples under various incident angles at 10 GHz . i Comparison of EMW absorption properties with recently reported composites derived from MOFs. The relevant data are summarized in Supplementary Table 2.

Recently reported 3D metamaterials integrate the advantages of traditional 2D metamaterials and absorbing materials . These materials not only directly attenuate EMW energy but also achieve further attenuation through structural resonances and secondary reflections from the cavity structure. As a result, they can surpass the causality-dictated minimum thickness and significantly enhance the EAB of the original materials . In addition, due to the introduction of topological structures, the absorption deterioration under oblique and polarized incidence conditions is also much smaller than that of traditional flat absorption materials. Therefore, it is of great potential to combine the as-prepared CuHT-FCIP with proper 3D metamaterial structure design.

We propose a metamaterial design approach that combines gradient impedance matching layer with honeycomb perforation, successfully broadening the EAB for CuHT-FCIP-EP composite. The unit cell consists of three layers of materials (S1-S3) stacked together. They collectively form a truncated pyramid structure with honeycomb perforations at the top (Fig. 4a). The overall unit cell is defined by 12 parameters: seven horizontal parameters (L1-L7) and five vertical parameters (T1-T5). We first optimized the arrangement of the three layers by creating a periodic unit structure. The results reveal that when arranged from top to bottom as S1-S2-S3, the power
loss contributions of the overall material perfectly match and connect across the low-frequency range ( ), mid-frequency range ( ), and high-frequency range ( ). (Fig. 4b) This corresponds to the characteristic impedance matching frequency of each layer material in Fig. 3g and eventually ensures a broadband absorption across the entire range (Supplementary Fig. 10, Supplementary Table 3). Next, various structural parameters of the metamaterial are optimized by simulation using the EAB as the objective function (Supplementary Fig. 11). Ultimately, we finalized the structural parameters of the metamaterial (Supplementary Table 4) and fabricated the CuHT-FCIP-EP metamaterial test sample measuring (Fig. 4a inset).

To better understand the attenuation mechanism of the CuHT-FCIP-EP metamaterials, the surface energy flow densities and electric/magnetic field intensities of the unit structure are analyzed (Fig. 4c and Supplementary Fig. 12). According to the simulated reflection curves, the CuHT-FCIP-EP metamaterial absorber show four prominent absorption peaks within the frequency range of . Specifically, the peaks at 16.1 GHz and 32.2 GHz are mainly attributed to thickness resonances at and (wavelength), while the peaks at 3.82 GHz and 22.0 GHz are primarily attributed to the resonance of the bottom layer (S3) and the honeycomb structure . (Fig. 5a

Fig. 4 | Design of ultra-broadband metamaterial absorber. a Schematic diagram of the proposed absorber, structural parameters, and the as-prepared metamaterial sample. Frequency-dependent power loss contribution for the three-layered slab model (S1-S2-S3) derived from electromagnetic finite elements simulation. Inset: the simulation model ( unit cell). Source data are provided as a Source Data file. c Distributions of the electric field, magnetic field, and power loss density
of the metamaterial absorber at 3.82 GHz and 31.0 GHz . d-g Smith chart of single-layer absorbers and metamaterial absorbers (the hollow circle end represents 2 GHz , while the solid end represents 40 GHz ; the orange shadowed region represents a fluctuation range of around the normalized impedance near perfect matching impedance (i.e., ). Source data are provided as a Source Data file.
and Supplementary Fig. 13). The honeycomb perforation enables increased entry of low-frequency EMWs. Consequently, at 3.82 GHz , the electric and magnetic fields exhibit a concentrated distribution in the bottom layer of the metamaterial. This suggests that the bottom layer material (i.e., CuHT-FCIP-EP-S3) primarily functions in absorbing EMWs at the low-frequency range (Supplementary Fig. 14). As the wavelength decreases, significant distortions occur in the electric and magnetic fields at the material’s surface, indicating the structural effects of the metamaterial. Strong electric and magnetic field intensities near the stepping and inside the honeycomb perforation suggest edge diffractions or secondary scattering in these areas. Thus, by combining gradient impedance multilayer structures with honeycomb perforations, the CuHT-FCIP-EP metamaterial achieves a broadband absorption from both material loss and structural effects. This mechanism effectively overcomes the skin effect faced by traditional single-layer EMW absorbers. As a representative technique in electronics, Smith Chart provides a fast, less-computation, and graphical approach for evaluating the impedance matching performance. Analyzing the traces on the Smith Chart allows for a quick check to ensure that the absorber achieves the impedance at free space (the center of
the chart), thus achieving perfect absorption. As shown in the Fig. 4d-g, these phenomena result in a near-ideal impedance matching of the CuHT-FCIP-EP metamaterial, which is unattainable by single-component metamaterials. Therefore, a rational structural design allows the absorber to not only exhibit nearly ideal electromagnetic response but also simultaneously possess multiple loss mechanisms, thereby enhancing its EMW absorption capability.

To evaluate the EMW absorption performance of the CuHT-FCIP-EP metamaterial absorber, the metamaterial array was processed into a standard size ( ) plate sample and tested using the far-field method (Fig. 5b) with two separate horns ( and ). The results show that the CuHT-FCIP-EP metamaterial absorber achieve effective EMW absorption across the entire frequency range (Fig. 5a). The number of resonance peaks in the experimental and simulated curves match well, with only partial deviations in peak positions, which presumably attributed to deviations in the electromagnetic properties between batches. Comparing with other recently reported 3D metamaterial absorbers, the

Fig. 5 | EMW absorption performance. a Comparison of experimental reflectivity and simulated reflectivity of ultra-broadband metamaterial absorber. Photo of the CuHT-FCIP-EP metamaterial test sample. c Comparison of performance between CuHT-FCIP based metamaterial absorber and some typical 3D metamaterial. The relevant data are summarized in Supplementary Table 5.
d-g Experimental reflectivity of metamaterial absorber at an oblique incidence with the incident angle ranging from to measured in both TE polarization and TM polarization. Source data are provided as a Source Data file. Schematic illustration of the multi-scale absorption mechanism for CuHT-FCIP-EP metamaterial absorber. i Density performance of the proposed metamaterial absorber.

CuHT-FCIP-EP metamaterial absorber not only demonstrates an ultra-broad bandwidth ( 38 GHz ) but also has a thinner thickness ( 9.3 mm , only of the minimum thickness predicted by causality), presenting significant advancement (Fig. 5c). Furthermore, to the best of our knowledge, its -15 dB EAB (frequency ranges when ), 35.85 GHz , is also found to be one of the broadest among the literatures (Supplementary Fig. 15).

In a complex electromagnetic environment, the performance of a microwave absorber must be averaged over various oblique incident angles under random polarizations. Hence it is of great importance to assess the robustness of the EMW absorption with different polarizations as well as with oblique incident angles. In the transverse electric (TE) polarization mode, the CuHT-FCIP-EP metamaterial absorber maintains consistent performance without significant deterioration up to , achieving an EAB of 38 GHz in all cases. Even at an increased incident angle of , it still retains an EAB of over 34.2 GHz (Fig. 5d, e). This excellent angle adaptability mainly stems from two factors: First, the frustum structure naturally inclines the metamaterial surface at approximately , significantly reducing the real incidence angle with respect to the metamaterial sides; Second, the honeycomb perforations on the top surface and the spaces between units create
cavities that can induce additional secondary reflections at large incident angles, especially for shorter wavelength EMWs (Fig. 5h). This can be further confirmed by the significant decrease of RL at high-frequency ranges ( ). In addition, owing to the C 4 symmetry of the unit design, the metamaterial absorber exhibits polarization insensitivity. CuHT-FCIP-EP metamaterial demonstrates consistent and effective absorption performance in the transverse magnetic (TM) polarization mode across incident angles within , with an EAB exceeding 35.52 GHz in all cases (Fig. 5f, g).

The mechanical performance of materials is equally important for electromagnetic metamaterials, especially in aerospace applications where specific strength is crucial. Metamaterials with higher specific strength not only provide additional structural support to prevent vibration damage but also enhance power economy. Despite the high density of FCIP, the CuHT-FCIP-EP metamaterial shows an impressively low density ( ) thanks to the inherently low-density CuHT ( ) and EP ( ) (Fig. 5i). Cu-FCIP-EP composites have an impressive flexural modulus of up to 75 MPa . Therefore, Cu-FCIP-EP metamaterial demonstrates a specific compressive strength of up to , underscoring its exceptional mechanical strength performance (Supplementary Fig. 16).

We present a robust microwave absorber design based on the strong 2D/2D magnetoelectric coupling loss mechanism of semiconductor MOFs with ferromagnetic materials, as well as a three-dimensional metastructure design with gradient impedance arrangement. In previous works, metamaterial absorbers often work in the subwavelength regime, below a cutoff frequency determined by the lattice constant. Our work breaks this limit by introducing porous gradient structure design attendant with the strong magnetoelectric coupling absorbing material design, thereby effectively tuning the absorption bandwidth. The resulting CuHT-FCIP-EP metamaterial demonstrates near-perfect absorption from 2 GHz to 40 GHz , covering the entire 5 G high-frequency bands. Due to the introduction of magnetic materials, the thickness of the CuHT-FCIP-EP metamaterial is only 9.3 mm , yet it exhibits excellent absorption robustness (oblique angle within and TE/TM polarization insensitivity). Despite the remarkable absorption performance, the straightforward manufacturing process and excellent mechanical performance make the CuHT-FCIP-EP metamaterial well-suited for the development and mass production of functional ultra-broadband EMW absorbers.

All the materials used in this work are provided in the supplementary file.

Synthesis of CuHT: CuHT was synthesized through a modified method based on a previous work . Typically, 39.6 mmol 4-mercaptophenol ( 5.0 g ) and 21.0 mmol cuprous oxide ( 3.0 g ) were ultrasonically dissolved in 200 mL and 100 mL of anhydrous ethanol, respectively. The two solutions were then mixed into a 500 mL roundbottomed flask and reacted at for 48 h in argon atmosphere. Afterward, the color of the solution changed from brick red to deep yellow. Subsequently, the precipitate was filtered and washed several times with anhydrous ethanol, N, N-dimethylformamide, deionized water, and acetone until greyish-yellow CuHT products were obtained with a yield of .

Preparation of FCIPs: The spherical carbonyl iron powders (SCIPs) with an iron content of no less than were sieved to obtain a desired size range ( ). Then, 316 stainless steel grinding balls (with diameters of , and 5 mm at a mass ratio of 1:6:2:1, respectively) were added to the mixing bowl of the mixer-mill in a ratio of 18:1 with respect to SCIP, along with an appropriate amount of anhydrous ethanol to facilitate dispersion. The ball-milling speed and time were set to 300 rpm and 10 h . After ball milling, the FCIPs were washed with acetone and dried in a vacuum oven at for 12 h . Finally, the dried FCIPs were annealed in hydrogen atmosphere ( 20.95 sccm ) for to obtain the final FCIPs product.

Preparation of the CuHT-FCIP-EP composites: To prepare the CuHT-FCIP-EP composites, the CuHT-FCIP composites were first prepared. Typically, CuHT and FICPs with different mass fractions were mixed in an ethanol solution and then bath sonicated ( 40 W ) in a nitrogen atmosphere at for 6 h . Afterward, the treated solution was centrifuged ( ) and the precipitant was vacuum dried at for 12 h to obtain the CuHT-FCIP products. Subsequently, CuHT-FCIP composites were weighed and mixed with epoxy resin (EP) at a mass ratio shown in Supplementary Table 1, and then degassed ( 0.1 bar ) at for 30 min . The mixed resin was then poured into the corresponding polytetrafluoroethylene mold for curing. The curing process included pre-curing at for 3 h , curing at for 5 h , and post-curing at for 2 h at a heating/cooling rate of . The CuHT-EP, FCIP-EP and FICP-EP-H composites were prepared following the same procedures.

Preparation of the CuHT-FCIP-EP metamaterial: To prepare the CuHT-FCIP-EP metamaterial, a silicon rubber mold with specific
features was first fabricated. The metamaterial was fabricated based on a multi-step molding process: (1) A specific amount of uncured CuHT-FCIP-EP-S1 resin was carefully poured into the silicone rubber mold to fill the bottom part of the mold (top layer of the metamaterial). (2) After curing for 2 h , the uncured CuHT-FCIP-EP-S2 resin was carefully poured into the silicone rubber mold to fill the middle layer. (3) After curing for another 2 h , the uncured CuHT-FCIP-EP-S3 resin was carefully poured into the silicone rubber mold to fill the rest cavities (bottom layer of the metamaterial). (4) Finally, after three additional hours of curing, CuHT-FCIP-EP metamaterials with S1-S3 combinations from top to the bottom were obtained by a complete demolding process.

Characterizations: The complex permittivity and permeability of all samples were measured using a vector network analyzer (VNA, M5463228, Anritsu, Japan) with the standard coaxial waveguide. The tested samples were fabricated using the corresponding mold with an outer diameter of 7.00 mm and an inner diameter of 3.04 mm . The RL values were calculated based on the transmission line theory according to the following equations :

where and are the relative complex permittivity ( ) and complex permeability ( ), respectively. denote the frequency of EMW, the speed of light, and the sample thickness, respectively, and represent the normalized input impedance of the tested sample. The dielectric loss ( ) and magnetic loss factor are calculated according to the following equation:

The far-field reflectivity ( ) of the CuHT-FCIP-EP metamaterials was measured inside a microwave dark room. We adopted two pairs of double-ridge antennas, which were responsible for the frequency bands and . For a targeted frequency band, one antenna served as an emitter and the other as the receiver. The antennas were connected to the VNA via the coaxial cables whose cutoff frequency was higher than 40 GHz . A flat, 2.0 -mm-thick copper plate with the same lateral dimensions as the sample was used to calibrate each measurement. We varied the polarizations of the incident microwave by rotating the azimuth of the antenna horn. The incidence angle is altered by controlling the position of the antenna fixed on the semi-circular rack. The measurement range of the incidence angle was , and the step size was set to for data acquisition.

All remaining performance test methods or characterization details (material characterization, bandgap testing, mechanical testing, molecular and electromagnetic simulation techniques) are listed in the Supporting Information document.

The authors declare that all data supporting the findings of this study are available within the article and the Supplementary Information. All other data are available from the corresponding authors upon request. Source data are provided with this paper.

The authors acknowledge the support from the National Science Fund for Distinguished Young Scholars (52025034, J.K.), National Natural Science Foundation of China (52203101, R.X.), National Natural Science Foundation of China (21875190, J.K.), National Key Research and Development Program of China (2022YFB3807101, J.K.), Innovation Team of Shaanxi Sanqin Scholars (J.K.), and the Innovation Foundation for Doctor Dissertation of Northwestern Polytechnical University (CX2024095, N.Q.).

N.Q. and H.S. contributed equally to this work. J.K. supervised the project. N.Q., R.X., and J.K. conceived and designed the experiments. N.Q., H.S., Y.S., and M.H. performed experiments and acquired data. N.Q., R.X., J.G., and J.K. analyzed the data and drafted the manuscript. All authors supported the final formation of the manuscript.

The authors declare no competing interests.

Supplementary information The online version contains
supplementary material available at
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49762-4.
Correspondence and requests for materials should be addressed to Ruizhe Xing or Jie Kong.

Peer review information Nature Communications thanks Yi Huang and the other, anonymous, reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work. A peer review file is available.

Reprints and permissions information is available at
http://www.nature.com/reprints

Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/ licenses/by/4.0/.
(c) The Author(s) 2024