电子科大文岐业教授团队、肖旭研究员团队 Nat. Commun.：基于离子电导损耗的透明太赫兹宽带吸波材料

2024-01-07 来源：高分子科技

随着太赫兹通信、雷达、成像等应用技术的快速发展，对于大宽带强吸收的太赫兹电磁吸波材料的需求也日益增加，以解决器件、设备和系统之间的电磁干扰、降低装备的RCS或者构建标准化的电磁屏蔽暗室/暗箱。在一些典型应用场景中，如设备或装备的观察窗口和显示部件，需要吸波材料同时具备高可见光透明度和宽带太赫兹吸收率。然而，已报道的太赫兹吸波材料在可见光波段透过率都很低。这是由于当前的太赫兹波耗散机制主要聚焦在基于自由电子的电导损耗上，因此现有太赫兹吸波材料均采用电子导体（比如金属、碳材料、MXene等）作为吸波剂。但是电子导体材料通常在可见光波段也具有较高的吸收率，因此很难实现光学透明。可见光透明的电磁波吸收材料的开发及其机理研究，一直是电磁屏蔽领域（包括微波频段）的重要挑战之一。

图1. 水油凝胶基太赫兹波吸收薄膜的示意图及其太赫兹-可见光谱图

鉴于此，电子科技大学文岐业教授团队与肖旭研究员团队合作提出了一种基于离子电导损耗机制的可见光透明的太赫兹吸波体。该太赫兹吸波体是一种具有梯度介电常数的水油凝胶-弹性体复合薄膜，通过简洁安全的一步共聚法制备获得。其中高介电的水油凝胶层（OHG）作为强吸收层，低介电的弹性体（PDA）作为阻抗匹配层，同时弹性体也作为保护层防止水油凝胶中水分散失。该薄膜吸波材料的总厚度仅为0.7mm，在频率为0.5 ~ 4.5 THz频段内表现出优异的吸收性能，平均吸收率高达99.81%，平均反射损耗高达49.03 dB；在可见光波段具有良好的透明度，平均透过率为85.51%。与已报道的太赫兹吸收材料（包括石墨烯泡沫、MXene泡沫、碳泡沫等）相比，该水油凝胶-弹性体复合薄膜在可见光透明、太赫兹吸收宽带、吸收体厚度以及超强粘附性方面都具有重要应用优势。

图2. 水油凝胶基太赫兹波吸收薄膜的制备与表征

图3. 水油凝胶基太赫兹吸收薄膜的太赫兹波损耗机理

更重要的是，该团队证实了这一透明太赫兹吸波材料的主要吸波机制不是常规的电子电导损耗机制，而是一种新型的离子电导损耗机制。团队根据德拜修正模型计算出水油凝胶的太赫兹电导率以及电导损耗与介电损耗的比例，并结合其太赫兹电导率与频率/温度的正相关关系，提出了以离子电导损耗为主的太赫兹波耗散机制。这一电磁耗散机制为开发透明太赫兹吸波材料提供了全新的研究思路，也将促进水/油凝胶等离子导体材料在太赫兹光电器件中的应用研究。该工作以“Organohydrogel-based transparent terahertz absorber via ionic conduction loss”为题发表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 15, 38 (2024)）上。文章第一作者为电子科技大学博士后谢文科博士与硕士生唐倩，通讯作者为电子科技大学文岐业教授、肖旭研究员与丁天朋研究员。这是文岐业教授团队及其合作者继Adv. Opt. Mater.，8: 2001120 (2020)，ACS Nano, 15: 13646–13652 (2021)，Nat. Commun.，13: 5551 (2022), Adv. Sci., 202305898 (2023)之后在太赫兹吸波材料领域的又一重要进展。
该项目得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金重点项目的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44344-2

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（责任编辑：xu）

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