文岐业&肖旭Adv. Opt. Mater: 基于二维MXene纳米片的宽带超强太赫兹吸收材料

Issuing time:2020-08-22 11:30Author:材会通

【背景介绍】


太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率在0.1 THz~10 THz范围内的电磁波,波长在3 mm~30 μm 之间。由于太赫兹波具有频谱资源丰富、光子能量低、相干性好、超宽带等许多优良特性,在雷达探测、安检成像、无损检测、生物传感以及即将到来的6G通信等方面显示出了巨大的应用潜力。随着太赫兹实际应用的快速发展,对高性能太赫兹波吸收材料的需求日益增强,尤其在雷达探测、电磁屏蔽、无线通信、测试仪器性能提升等方面都迫切需要大带宽、高吸收强度的太赫兹吸收材料。例如,在太赫兹成像和通信的收发两端,均需要太赫兹吸波材料来大量减少旁瓣辐射或杂波;在太赫兹时域光谱以及矢量网络分析仪等测试系统中,也需要太赫兹吸波材料来降低背景噪声,提高测试精度;在未来的雷达探测技术中,太赫兹吸波材料可以减少雷达散射截面(RCS),赋予太赫兹装备以隐身特性。最后,太赫兹吸波材料还可以显著降低周围环境的电磁辐射,对于提高人居环境质量也极为重要。因此,宽带、高吸收效率以及低成本的吸收材料对太赫兹技术的发展和应用有着重要的实际意义。

广义地说,电磁波吸波材料分为共振型吸波材料和宽带吸波材料两种。共振型吸波材料主要利用特定的人工结构在某一频点上与入射电磁波通过谐振效应来实现阻抗匹配,从而降低电磁波反射,同时利用电阻层或者反射层来降低透射,以此实现较高的电磁吸收。由于太赫兹波的频率较高,大多数的凝聚态物质对太赫兹波缺乏有效的电磁损耗和响应,使得现有的太赫兹吸收材料主要是采用这种谐振型人工电磁结构。谐振型吸收本质上是一种窄带吸收,适用于选择性、可调谐的太赫兹吸收场景,而其研制需要精细的结构设计和复杂的微细加工技术,大面积制备困难,成本高昂,广泛的商业化应用受到限制。

实现大宽带电磁波吸收材料的一种有效方法是采用多孔结构,利用多孔结构表面具有近似于空气的电磁参数,使得电磁波可以直接进入样品内部,进而被内部的导电材料损耗吸收。基于多孔结构的宽带吸收材料在提高吸收率方面的困难主要有两个:(1)孔隙率的优化问题:较大的孔隙率有利于降低表面反射,但也意味着单位体积材料中吸收成分含量的变少,甚至过大的孔径会导致电磁波直接透过材料而不能被充分吸收。而目前大多数的吸收材料孔径一般都在100微米以下,并不能实现理想的减反射效果;(2)电导率的优化问题:在太赫兹波段,吸收主要来源于导电性物质的电损耗。然而,在保持多孔结构高孔隙率和稳定性的前提下,想要获得高电导率、大吸收面积和强吸收效果的电磁吸波材料是非常困难的。

针对以上两个技术难点,电子科技大学文岐业团队和肖旭团队通力合作,提出了一种结构稳定、大宽带、强吸收的基于MXene二维纳米片的太赫兹波宽带超强吸收泡沫。利用MXene二维纳米片的超高导电性和在水溶液中的高分散性,通过与表面功能化的聚合物多孔泡沫(PU)复合,形成了兼顾大孔径和大吸收面积的三维网络结构,以2 mm的材料厚度实现了0.3~1.65 THz范围内高达99.99%以上的超高吸收率和低至0.00003%的极低反射率。该吸收材料具有结构稳定、机械强度好、超轻较薄的优异性能,同时还具有制备成本低、工艺简单、可大面积制备的诸多优点,显示了十分突出的实际应用价值。该工作近日以“Ti3C2Tx MXene Sponge Composite as Broadband Terahertz Absorber”为题发表在国际知名期刊Adv. Opt. Mater.上。

【文章导读】


图1. MSF的制备与表征。a, MSF制备示意图;b, MSF样品的SEM图像,数字1-3表示MSF中Ti3C2Tx薄片的三种主要形态;c, MSF样品中C、N和Ti的元素映射图;d, MSF样品放在花的顶部;e-f, MSF样品扭曲和弯曲的图像;g, MSF样品漂浮在水面上, 插图显示了其疏水角约为120°±2°。

本工作基于一种简易的浸泡涂覆方法,将多孔PU海绵泡沫放入Ti3C2Tx MXene分散液中挤压浸泡,Ti3C2Tx MXene纳米片会迅速进入到海绵内部并自动吸附在海绵骨架上。MSF样品中Ti3C2Tx纳米片的填充量可以通过控制浸泡的次数或调整MXene溶液的浓度进行调节。这种方法简便高效,具有很强的实际应用前景。由扫描电子显微镜(SEM)图以及元素映射图可以清楚地看到MXene在泡沫内部分布均匀,同时,MSF具有极低的密度及优良的力学性能。

图2. MSF的THz性能表征。a-b, MSF对THz波的透射与反射测试示意图;c-d, 2 mm厚度、50 ppi孔径大小的MSF在不同MXene含量时对THz波的透射与反射时域光谱,插图分别代表纯PU泡沫(未填充MXene)的透射时域光谱和金属Cu的反射时域光谱信号;e,2 mm厚度、50 ppi孔径大小的MSF在不同MXene含量时对THz波的透射率,插图是与之相对应的反射率;f, 2 mm厚度、50 ppi孔径大小的MSF在不同MXene含量时对THz波的吸收率;g-h, MSF分别在不同孔径和厚度条件下对THz波的吸收表征。注:文中ppi代表孔径(pore per inch: pore size ≈ 35 ppi-1500 µm, 50 ppi-650 µm, and 60 ppi-300 µm).

研究人员随后通过太赫兹时域光谱法(THz-TDS)对MSF样品的太赫兹性能进行了深入分析。随着MXene填充量的增加,MSF样品对THz波的透射率在逐渐降低,最低可到约 0.008%。同时,值得注意的是,反射率却始终维持在一个极低的范围(≤0.06%),最低可达0.00003%。根据A(吸收率)+R(反射率)+T(透射率)=1的原则,极低的反射和透射结果也就意味着MSF样品对THz波拥有较高的吸收。此外,三种不同孔径的MSF样品中,50 ppi孔径大小的MSF具有最佳的THz吸收效果,且厚度的影响很小。

图3. MSF的THz吸收表征及相应的SEM图像。a, 50 ppi孔径大小、不同厚度的MSF样品在不同MXene含量时对THz波的吸收柱状图;b, 10 mm厚度、35 ppi孔径大小的MSF样品在不同MXene含量时对THz波的SEA吸收趋势图;c, 与b中相对应样品的SEM图。

更重要的是,50 ppi孔径大小的MSF样品对THz波吸收达到饱和(≥99%)的时候,所需要的MXene填充量阈值仅为MSF总重量的8.7%,这说明只需少量的MXene纳米片,MSF便可以表现出良好的吸波性能。并且,即使MXene填充量高于饱和阈值,其THz吸收性能并不会发生很大改变,依旧维持较高的吸收效果。这使得在制备MSF时,无需考虑一定要将MXene填充量严格控制在饱和阈值附近,从而为快速大量制备样品、降低成本提供了保障。

最后,作者对MSF样品的THz吸收机理进行了分析,如图4所示。由于MSF具有特殊的大孔结构,其表面极易与空气满足阻抗匹配(MSF最小输入阻抗~358 Ω;空气阻抗~377 Ω),有利于THz波进入到材料内部而几乎不会在材料表面发生反射。而后,又因为MSF内部存在的具有高导电性的三种主要形态的MXene纳米片(包覆、成膜、悬挂),进入到材料内部的THz波会被多次反射,最终导致入射的THz波通过电损耗被有效吸收掉。


图4. MSF的形貌结构及THz波吸收机理。a-c, Ti3C2Tx纳米片在MSF中的三种主要形态,a, 包覆形态,b, 成膜形态,c, 悬挂形态;d, MSF的THz吸收机理。


【小结】


本工作针对现有太赫兹波吸收器存在的吸收强度低、机械稳定性差、制备工艺复杂、制作成本高昂等问题,提出了一种结构稳定、大宽带、强吸收的基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫。利用MXene二维纳米片的超高导电性和在水溶液中的高分散性,通过与表面功能化的聚合物多孔泡沫复合,形成了兼顾大孔径和大吸收效率的三维网络结构,实现了0.3~1.65 THz范围内高达99.99%以上的超高吸收率和低至0.00003%的极低反射率。该吸收材料具有结构稳定、可压性好、可弯性强、超轻和较薄的优异性能,同时还具有制备成本低、工艺简单、可大面积制备的诸多优点,显示了十分突出的实际应用价值,为后续太赫兹电磁屏蔽与吸波材料的制备提供了很好的参考。


【参考文献】


Wenchao Shui, Jianmin Li, Hao Wang, Yang Xing, Yilei Li, Qinghui Yang, Xu Xiao,* Qiye Wen,* and Huaiwu Zhang, Ti3C2Tx MXene Sponge Composite as Broadband Terahertz Absorber. Adv. Opt. Mater. 2020, 2001120


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202001120

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