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電子科大文岐業(yè)教授團隊、肖旭研究員團隊 Nat. Commun.:基于離子電導(dǎo)損耗的透明太赫茲寬帶吸波材料
2024-01-07  來源:高分子科技

  隨著太赫茲通信、雷達、成像等應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展,對于大寬帶強吸收的太赫茲電磁吸波材料的需求也日益增加,以解決器件、設(shè)備和系統(tǒng)之間的電磁干擾、降低裝備的RCS或者構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的電磁屏蔽暗室/暗箱。在一些典型應(yīng)用場景中,如設(shè)備或裝備的觀察窗口和顯示部件,需要吸波材料同時具備高可見光透明度和寬帶太赫茲吸收率。然而,已報道的太赫茲吸波材料在可見光波段透過率都很低。這是由于當(dāng)前的太赫茲波耗散機制主要聚焦在基于自由電子的電導(dǎo)損耗上,因此現(xiàn)有太赫茲吸波材料均采用電子導(dǎo)體(比如金屬、碳材料、MXene等)作為吸波劑。但是電子導(dǎo)體材料通常在可見光波段也具有較高的吸收率,因此很難實現(xiàn)光學(xué)透明。可見光透明的電磁波吸收材料的開發(fā)及其機理研究,一直是電磁屏蔽領(lǐng)域(包括微波頻段)的重要挑戰(zhàn)之一。


圖1. 水油凝膠基太赫茲波吸收薄膜的示意圖及其太赫茲-可見光譜圖


  鑒于此,電子科技大學(xué)文岐業(yè)教授團隊與肖旭研究員團隊合作提出了一種基于離子電導(dǎo)損耗機制的可見光透明的太赫茲吸波體。該太赫茲吸波體是一種具有梯度介電常數(shù)的水油凝膠-彈性體復(fù)合薄膜,通過簡潔安全的一步共聚法制備獲得。其中高介電的水油凝膠層(OHG)作為強吸收層,低介電的彈性體(PDA)作為阻抗匹配層,同時彈性體也作為保護層防止水油凝膠中水分散失。該薄膜吸波材料的總厚度僅為0.7mm,在頻率為0.5 ~ 4.5 THz頻段內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的吸收性能,平均吸收率高達99.81%,平均反射損耗高達49.03 dB;在可見光波段具有良好的透明度,平均透過率為85.51%。與已報道的太赫茲吸收材料(包括石墨烯泡沫、MXene泡沫、碳泡沫等)相比,該水油凝膠-彈性體復(fù)合薄膜在可見光透明、太赫茲吸收寬帶、吸收體厚度以及超強粘附性方面都具有重要應(yīng)用優(yōu)勢。


圖2. 水油凝膠基太赫茲波吸收薄膜的制備與表征

圖3. 水油凝膠基太赫茲吸收薄膜的太赫茲波損耗機理


  更重要的是,該團隊證實了這一透明太赫茲吸波材料的主要吸波機制不是常規(guī)的電子電導(dǎo)損耗機制,而是一種新型的離子電導(dǎo)損耗機制。團隊根據(jù)德拜修正模型計算出水油凝膠的太赫茲電導(dǎo)率以及電導(dǎo)損耗與介電損耗的比例,并結(jié)合其太赫茲電導(dǎo)率與頻率/溫度的正相關(guān)關(guān)系,提出了以離子電導(dǎo)損耗為主的太赫茲波耗散機制。這一電磁耗散機制為開發(fā)透明太赫茲吸波材料提供了全新的研究思路,也將促進水/油凝膠等離子導(dǎo)體材料在太赫茲光電器件中的應(yīng)用研究。該工作以“Organohydrogel-based transparent terahertz absorber via ionic conduction loss”為題發(fā)表在《Nature Communications》上(Nat. Commun. 15, 38 (2024))上。文章第一作者為電子科技大學(xué)博士后謝文科博士與碩士生唐倩通訊作者為電子科技大學(xué)文岐業(yè)教授、肖旭研究員與丁天朋研究員。這是文岐業(yè)教授團隊及其合作者繼Adv. Opt. Mater.,8: 2001120 (2020),ACS Nano, 15: 13646–13652 (2021),Nat. Commun.,13: 5551 (2022),  Adv. Sci., 202305898 (2023)之后在太赫茲吸波材料領(lǐng)域的又一重要進展。
該項目得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金重點項目的資助。

 

  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-44344-2

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