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電子科大文岐業教授/林雪平大學Magnus Jonsson教授 Adv. Sci.:基于導電聚合物纖維素氣凝膠的寬帶太赫茲可調吸波材料
2023-11-27  來源:高分子科技

  太赫茲頻段(0.1到10 THz)位于微波和紅外波之間,具有超寬帶電磁頻譜資源和獨特的頻譜性能,在下一代移動通信、雷達探測、射電天文和遙感遙測領域均有具有重要應用價值。高性能的寬帶太赫茲吸波材料能夠控制雜散信號、抑制電磁干擾、降低背景噪聲,是用于電磁防護、電磁兼容、雷達隱身和絕對定標技術的關鍵核心材料。近年來,寬帶太赫茲吸波材料的研究引起了相當大的關注,但是這些材料只具有靜態性能,一旦制備成型其吸波性能即被固定,難以滿足未來太赫茲吸波器在動態調控和自適應控制上的要求。事實上,電磁參數寬帶可調的太赫茲光學材料并不常見,因此探索具備太赫茲頻段性能可調的吸波材料,尤其是實現帶寬電磁吸收和大范圍可逆調控是當前該領域的技術難點之一。


  近日,電子科技大學文岐業教授瑞典林雪平大學Magnus Jonsson教授的科研團隊提出了一種基于導電聚合物和纖維素的環境友好型超薄氣凝膠結構(圖1),成功實現了在太赫茲頻段的高性能寬頻吸收。在此基礎之上,該團隊通過對吸波器的進一步優化,使得該氣凝膠在太赫茲頻段可以實現高透過率和高吸收率的寬帶可逆調控。 


圖1 具備可調控特性的太赫茲寬帶吸波器概念示意圖及其主要組成材料PEDOT和纖維素


  該太赫茲吸波器基于由導電聚合物PEDOT和纖維素構成的多孔氣凝膠結構,在0.2到1.2THz區間具有卓越的吸收能力(圖2a),并只產生極小的表面反射(圖2b-c)。通過調控氣凝膠的厚度和組成配比,可以實現在高性能的太赫茲吸波和屏蔽性能(圖2d-f)。氣凝膠對太赫茲的電磁輻射吸收主要來自于導電聚合物的電損耗機制以及導電聚合物特有的位于遠紅外和太赫茲頻段的異常光電導吸收峰(由局域化載流子傳導或載流子背散射造成)。此外,氣凝膠的多孔結構產生多重散射/反射進一步強化了吸收。這一系列協同作用導致該氣凝膠吸波器在最低0.9mm的極限厚度下實現了-30dB的平均反射損耗,在6mm的厚度下其電磁波吸收率逼近了99.99%,平均反射損耗RL逼近·了-40dB。 


圖2 導電聚合物-纖維素氣凝膠太赫茲吸波特性 


圖3 導電聚合物-纖維素氣凝膠在太赫茲波段的吸收可調控特性


  導電聚合物PEDOT具備氧化還原態動態可調控特性,通過控制材料的摻雜狀態,可以使得材料在導體和絕緣體之間進行可逆轉變(圖3a-c)。由PEDOT和纖維素制備成的氣凝膠在太赫茲頻段同樣展現出極強的調控性能(圖3d),在0.2到1.2THz區間內,厚度為1.5mm的氣凝膠可以實現寬帶平均吸收率在13%到91%之間的大范圍可逆調控。通過改變材料的組成配比可以不斷優化合適的調控區間,從而面向不同的應用場景(圖3e-f)。此外,該氣凝膠具備疏水表面,且具有極高的太陽光熱轉變性能,因而適用于極端低溫、潮濕場景,從而具備重要的使用價值。


  該工作以“Switchable Broadband Terahertz Absorbers Based on Conducting Polymer-Cellulose Aerogels”為題發表在Advanced Science上(doi: 10.1002/advs.202305898)。文章第一作者是林雪平大學博士后曠超陽博士、陳尚志博士和電子科技大學的羅敏博士。該研究得到了國家自然科學基金NSFC-STINT國際合作項目、國家重點研發計劃、四川省科技支持計劃、瑞典研究理事會、瓦倫堡基金會、瑞典國際研究和教育合作基金會等基金的支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202305898?af=R

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