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南开大学研究人员研发出石墨烯泡沫-全能型太赫兹隐身材料
发布时间:2017-12-27 18:55:22 阅读:517

来源:高分子科学前沿

    南开大学黄毅教授和陈永胜教授研究团队创造性的提出了利用石墨烯泡沫作为太赫兹隐身材料的设想。该研究成果于近日发表在Advanced Functional Materials上。

    太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一,被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。太赫兹波一般是指频率范围在0.1-10 THz之间的电磁波,在电磁波谱中位于红外与微波之间,是光子学向电子学的过渡区域。过去由于缺少高功率的太赫兹发射源以及灵敏的探测器,科学家们并没有对太赫兹领域进行深入地研究,使得太赫兹技术的发展落后于其他波段,被称为“太赫兹空白(THz Gap)”。近年来随着半导体技术和光电子技术的发展,尤其是超快激光技术的发展,太赫兹技术得到了极大的发展。

    太赫兹波段覆盖范围广,具有非常好的时间和空间分辨率,能穿透非透明非极性材料,并且能量低,不会损坏被检测物质,对大部分生物细胞也基本无害。由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置,且具有很多其它波段不具备的性质和优点,使得它成为物理、化学、军事、材料等多个领域关注的焦点。其中,太赫兹技术在未来的太空探测、军事雷达、通信和民用检测和探损中具有非常大的潜力。例如,现有的吸波材料只能对抗GHz频段的雷达探测,新型太赫兹雷达将使最先进的隐身战机和舰船无所遁形,因此,发展一种能够对太赫兹波具有低反射、高吸收特性的材料,在未来军事和民用领域中均具有重要的作用。

    南开大学团队在石墨烯功能材料及其隐身应用方面开展了深入的研究工作(Adv. Mater.,2015, 27, 2049; Adv. Mater., 2013, 25, 2224; ACS Nano, 2012, 6, 4508; Adv.Sci., 2016, 3, 1500438; Carbon, 2017, 124, 506)。针对传统隐身材料无法有效对抗太赫兹波探测的挑战,提出了高性能太赫兹隐身材料设计的新思路。Advanced Functional Materials杂志的评审专家对该研究给予了高度评价:“该论文第一次报道了基于三维石墨烯的太赫兹隐身材料,与传统吸收体相比,这种材料由于其超高的孔隙率和长程有序的导电网络结构,具有优秀的太赫兹波吸收性能。石墨烯泡沫在0.64 THz实现了28.6 dB的太赫兹吸收效率,其有效隐身频段覆盖了整个测试频段,性能远优于大多数的公开文献。而且,三维石墨烯的比吸收性能(SATA)超过其他材料3000倍以上,给人留下了非常深刻的印象。”

    研究团队通过将氧化石墨烯组装成为三维多孔石墨烯泡沫,经过高温热还原处理,然后通过太赫兹时域光谱系统研究了石墨烯泡沫对0.1-1.2 THz频段电磁波的吸收性能。我们发现这种超高孔隙率(超过99.9%)的石墨烯泡沫结构有效降低了材料的有效介电常数,使得太赫兹波在材料表面的反射率大大降低,能够轻松进入材料的内部,然后在孔隙内经历多次散射、折射,并利用石墨烯的三维导电网络将电磁波损耗掉。

▲ 石墨烯泡沫材料的基本表征

    太赫兹吸收效率高

    随着热处理温度的提高,材料对太赫兹波的损耗明显增加,在1000°C热处理的条件下达到最大吸收。研究团队通过调控其介电常数,在保证石墨烯泡沫低表面反射的前提下,提高它的吸收能力,1000°C热处理的石墨烯泡沫材料在0.88 THz频率达到了最高的太赫兹吸收效率19 dB。

    有效隐身频率范围宽

    石墨烯泡沫材料超高孔隙率的优点,使其具有可控的有效介电常数,在非常宽的频率范围内都保持了很低的表面反射,内部三维多孔的结构也使得太赫兹波在多次散射、折射的情况下被大量吸收。1000°C热处理的石墨烯泡沫材料在超过95%的测试频段内均实现了10 dB以上的有效隐身。

▲ 不同热处理温度和厚度的石墨烯泡沫在0.1-1.2 THz下的反射损耗

    适用太赫兹波入射角度广

    在实际应用中,太赫兹波的入射方向各不相同,这就需要太赫兹隐身材料能够在不同入射角的情况下均达到较高的吸收性能。在太赫兹波入射角为45°的条件下,石墨烯泡沫在0.64 THz频率实现了28.6 dB的最高太赫兹吸收效率,并且在整个测试频率范围内均达到了10 dB以上的有效隐身。不同于其他太赫兹隐身材料(如超材料)在高入射角下吸收性能的快速衰减,石墨烯泡沫在高入射角下,吸收性能表现得更为优异,并且能在不断变化太赫兹波入射角的情况下保持很好的隐身性能。

▲ 不同入射角下石墨烯泡沫在0.1-1.2THz下的反射损耗

    相关论文全文发表在 Adv. Funct. Mater.2017.,November 24, 2017Volume 27, Issue 44(DOI: 10.1002/adfm.201704363)上。

 
 

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