南開大學(xué)提出了高性能太赫茲隱身材料設(shè)計(jì)的新思路

太赫茲技術(shù)被美國評(píng)為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，被日本列為“國家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。太赫茲波一般是指頻率范圍在0.1~10 THz之間的電磁波，在電磁波譜中位于紅外與微波之間，是光子學(xué)向電子學(xué)的過渡區(qū)域。過去由于缺少高功率的太赫茲發(fā)射源以及靈敏的探測器，科學(xué)家們并沒有對(duì)太赫茲領(lǐng)域進(jìn)行深入地研究，使得太赫茲技術(shù)的發(fā)展落后于其他波段，被稱為“太赫茲空白(THz Gap)”。近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是超快激光技術(shù)的發(fā)展，太赫茲技術(shù)得到了極大的發(fā)展。

南開大學(xué)團(tuán)隊(duì)在石墨烯功能材料及其隱身應(yīng)用方面開展了深入的研究工作。針對(duì)傳統(tǒng)隱身材料無法有效對(duì)抗太赫茲波探測的挑戰(zhàn)，提出了高性能太赫茲隱身材料設(shè)計(jì)的新思路。雜志的評(píng)審專家對(duì)該研究給予了高度評(píng)價(jià)：“該論文第一次報(bào)道了基于三維石墨烯的太赫茲隱身材料，與傳統(tǒng)吸收體相比，這種材料由于其超高的孔隙率和長程有序的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)秀的太赫茲波吸收性能。石墨烯泡沫在0.64 THz實(shí)現(xiàn)了28.6 dB的太赫茲吸收效率，其有效隱身頻段覆蓋了整個(gè)測試頻段，性能遠(yuǎn)優(yōu)于大多數(shù)的公開文獻(xiàn)。而且，三維石墨烯的比吸收性能(SATA)超過其他材料3000倍以上，給人留下了非常深刻的印象?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)通過將氧化石墨烯組裝成為三維多孔石墨烯泡沫，經(jīng)過高溫?zé)徇€原處理，然后通過太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)研究了石墨烯泡沫對(duì)0.1~1.2 THz頻段電磁波的吸收性能。我們發(fā)現(xiàn)這種超高孔隙率(超過99.9%)的石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)有效降低了材料的有效介電常數(shù)，使得太赫茲波在材料表面的反射率大大降低，能夠輕松進(jìn)入材料的內(nèi)部，然后在孔隙內(nèi)經(jīng)歷多次散射、折射，并利用石墨烯的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)將電磁波損耗掉。

石墨烯泡沫材料的基本表征太赫茲吸收效率高隨著熱處理溫度的提高，材料對(duì)太赫茲波的損耗明顯增加，在1000 °C熱處理的條件下達(dá)到最大吸收。研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控其介電常數(shù)，在保證石墨烯泡沫低表面反射的前提下，提高它的吸收能力，1000 °C熱處理的石墨烯泡沫材料在0.88 THz頻率達(dá)到了最高的太赫茲吸收效率19 dB。有效隱身頻率范圍寬石墨烯泡沫材料超高孔隙率的優(yōu)點(diǎn)，使其具有可控的有效介電常數(shù)，在非常寬的頻率范圍內(nèi)都保持了很低的表面反射，內(nèi)部三維多孔的結(jié)構(gòu)也使得太赫茲波在多次散射、折射的情況下被大量吸收。1000 °C熱處理的石墨烯泡沫材料在超過95%的測試頻段內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了10 dB以上的有效隱身。

不同熱處理溫度和厚度的石墨烯泡沫在0.1-1.2 THz下的反射損耗適用太赫茲波入射角度廣在實(shí)際應(yīng)用中，太赫茲波的入射方向各不相同，這就需要太赫茲隱身材料能夠在不同入射角的情況下均達(dá)到較高的吸收性能。在太赫茲波入射角為45°的條件下，石墨烯泡沫在0.64 THz頻率實(shí)現(xiàn)了28.6 dB的最高太赫茲吸收效率，并且在整個(gè)測試頻率范圍內(nèi)均達(dá)到了10 dB以上的有效隱身。不同于其他太赫茲隱身材料(如超材料)在高入射角下吸收性能的快速衰減，石墨烯泡沫在高入射角下，吸收性能表現(xiàn)得更為優(yōu)異，并且能在不斷變化太赫茲波入射角的情況下保持很好的隱身性能。

相關(guān)論文全文發(fā)表在 Adv. Funct. Mater.2017.，November 24, 2017Volume 27, Issue 44（DOI: 10.1002/adfm.201704363）上。