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電子科大文岐業教授團隊、肖旭研究員團隊 Nat. Commun.：基于離子電導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、成像等應用技術的快速發展，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、設備和系統之間的電磁干擾、降低裝備的RCS或者構建標準化的電磁屏蔽暗室/暗箱。在一些典型應用場景中，如設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。這是由于當前的太赫茲波耗散機制主要聚焦在基于自由電子的電導損耗上，因此現有太赫茲吸波材料均采用電子導體（比如金屬、碳材料、MXene等）作為吸波劑。但是電子導體材料通常在可見光波段也具有較高的吸收率，因此很難實現光學透明。可見光透明的電磁波吸收材料的開發及其機理研究，一直是電磁屏蔽領域（包括微波頻段）的重要挑戰之一。

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，電子科技大學文岐業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的水油凝膠-彈性體復合薄膜，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頻段內表現出優異的吸收性能，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用優勢。

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的電子電導損耗機制，而是一種新型的離子電導損耗機制。團隊根據德拜修正模型計算出水油凝膠的太赫茲電導率以及電導損耗與介電損耗的比例，并結合其太赫茲電導率與頻率/溫度的正相關關系，提出了以離子電導損耗為主的太赫茲波耗散機制。這一電磁耗散機制為開發透明太赫茲吸波材料提供了全新的研究思路，也將促進水/油凝膠等離子導體材料在太赫茲光電器件中的應用研究。該工作以“Organohydrogel-based transparent terahertz absorber via ionic conduction loss”為題發表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 15, 38 (2024)）上。文章第一作者為電子科技大學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文岐業教授、肖旭研究員與丁天朋研究員。這是文岐業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域的又一重要進展。
該項目得到了國家重點研發計劃和國家自然科學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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（責任編輯：xu）

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