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电子科大文岐业教授/林雪平大学Magnus Jonsson教授 Adv. Sci.:基于导电聚合物纤维素气凝胶的宽带太赫兹可调吸波材料
2023-11-27  来源:高分子科技

  太赫兹频段(0.1到10 THz)位于微波和红外波之间,具有超宽带电磁频谱资源和独特的频谱性能,在下一代移动通信、雷达探测、射电天文和遥感遥测领域均有具有重要应用价值。高性能的宽带太赫兹吸波材料能够控制杂散信号、抑制电磁干扰、降低背景噪声,是用于电磁防护、电磁兼容、雷达隐身和绝对定标技术的关键核心材料。近年来,宽带太赫兹吸波材料的研究引起了相当大的关注,但是这些材料只具有静态性能,一旦制备成型其吸波性能即被固定,难以满足未来太赫兹吸波器在动态调控和自适应控制上的要求。事实上,电磁参数宽带可调的太赫兹光学材料并不常见,因此探索具备太赫兹频段性能可调的吸波材料,尤其是实现带宽电磁吸收和大范围可逆调控是当前该领域的技术难点之一。


  近日,电子科技大学文岐业教授瑞典林雪平大学Magnus Jonsson教授的科研团队提出了一种基于导电聚合物和纤维素的环境友好型超薄气凝胶结构(图1),成功实现了在太赫兹频段的高性能宽频吸收。在此基础之上,该团队通过对吸波器的进一步优化,使得该气凝胶在太赫兹频段可以实现高透过率和高吸收率的宽带可逆调控。 


图1 具备可调控特性的太赫兹宽带吸波器概念示意图及其主要组成材料PEDOT和纤维素


  该太赫兹吸波器基于由导电聚合物PEDOT和纤维素构成的多孔气凝胶结构,在0.2到1.2THz区间具有卓越的吸收能力(图2a),并只产生极小的表面反射(图2b-c)。通过调控气凝胶的厚度和组成配比,可以实现在高性能的太赫兹吸波和屏蔽性能(图2d-f)。气凝胶对太赫兹的电磁辐射吸收主要来自于导电聚合物的电损耗机制以及导电聚合物特有的位于远红外和太赫兹频段的异常光电导吸收峰(由局域化载流子传导或载流子背散射造成)。此外,气凝胶的多孔结构产生多重散射/反射进一步强化了吸收。这一系列协同作用导致该气凝胶吸波器在最低0.9mm的极限厚度下实现了-30dB的平均反射损耗,在6mm的厚度下其电磁波吸收率逼近了99.99%,平均反射损耗RL逼近·了-40dB。 


图2 导电聚合物-纤维素气凝胶太赫兹吸波特性 


图3 导电聚合物-纤维素气凝胶在太赫兹波段的吸收可调控特性


  导电聚合物PEDOT具备氧化还原态动态可调控特性,通过控制材料的掺杂状态,可以使得材料在导体和绝缘体之间进行可逆转变(图3a-c)。由PEDOT和纤维素制备成的气凝胶在太赫兹频段同样展现出极强的调控性能(图3d),在0.2到1.2THz区间内,厚度为1.5mm的气凝胶可以实现宽带平均吸收率在13%到91%之间的大范围可逆调控。通过改变材料的组成配比可以不断优化合适的调控区间,从而面向不同的应用场景(图3e-f)。此外,该气凝胶具备疏水表面,且具有极高的太阳光热转变性能,因而适用于极端低温、潮湿场景,从而具备重要的使用价值。


  该工作以“Switchable Broadband Terahertz Absorbers Based on Conducting Polymer-Cellulose Aerogels”为题发表在Advanced Science上(doi: 10.1002/advs.202305898)。文章第一作者是林雪平大学博士后旷超阳博士、陈尚志博士和电子科技大学的罗敏博士。该研究得到了国家自然科学基金NSFC-STINT国际合作项目、国家重点研发计划、四川省科技支持计划、瑞典研究理事会、瓦伦堡基金会、瑞典国际研究和教育合作基金会等基金的支持。


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

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