基于三維石墨烯的可拉伸以及可穿戴的太赫茲吸波復合材料

摘 要：本文介紹了一種基于三維石墨烯泡沫并結合聚二甲基硅氧烷（PDMS）的太赫茲吸波材料，表征了這種三維石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）復合材料的形貌，探究了這種復合材料對太赫茲波的吸收特性。在文章中，我們通過模板導向的化學沉積方法來制備三維石墨烯泡沫，將制備好的三維石墨烯泡沫浸入被乙酸乙酯稀釋過的聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液中，然后把樣品放入真空箱中抽取溶液中的空氣，最后在80℃的加熱臺上固化一個小時從而形成三維石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）復合材料，這個過程中不需要使用發泡劑，流程十分簡單。從外觀上看，三維石墨烯仿佛“生在”在聚二甲基硅氧烷中。由于該復合材料對于太赫茲波有很弱的表面反射和巨大的內部吸收，因此在0.2THz至1.2THz的頻率范圍內，該復合材料對太赫茲波的吸收率高達90%，表明該復合材料對太赫茲波有很強的吸收特性。此外，該復合材料有良好的柔韌性，在實驗中，在拉伸復合材料后，該材料依然具有良好的太赫茲吸收性能。當太赫茲波入射角依次為10度，20度，30度，40度時，太赫茲波從不同角度入射下，該材料對太赫茲波的透射率和反射率變化范圍不大，透射率最高為6%。當太赫茲波入射角度為40度時，該材料對太赫茲波的反射率最高接近為10%，綜合分析得出，當太赫茲波入射角度為10度，20度，30度，40度時，在0.2THz-1.2THz內，該材料對太赫茲波的吸收率最低為84%，表明無論太赫茲波束入射角怎樣變化，該復合材料對太赫茲波有著極強的吸收性。由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）有著良好的黏性，既可以將此復合材料粘附在衣物上面，在特定的電磁環境下，人體可以方便地粘附在衣物或皮膚上，避免太赫茲波對人體的影響，也可以方便地粘附在在某些電子器件表面，該復合材料吸收掉干擾該電子器件的太赫茲雜波，避免了太赫茲波對電子器件的干擾，從而在復雜的電磁環境下能更好地實現某些電子器件的功能。

關鍵詞：太赫茲;三維石墨烯泡沫;聚二甲基硅氧烷;吸波材料;可穿戴

太赫茲波是電磁頻率介于0.1THz-10THz（1THz=1012Hz）之間，波長在0.03mm—0.3mm之間的一段電磁波。太赫茲波或太赫茲射線（T-ray）是20世紀80年代才正式被命名的，在此之前科學家統一將其稱為遠紅外射線。在頻率上，太赫茲波在紅外線和毫米波之間;從能量的角度來看，太赫茲波介于電子和光子之間[1]。太赫茲波在電磁頻譜中占有特殊的位置，其長波方向與亞毫米波相重合，它的短波方向與紅外線相重合，太赫茲的長波方向屬于電子學范疇，其短波方向屬于光子學范疇，所以太赫茲學科屬于電子學與光子學的“交叉學科”[2，3]。

1 三維石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）復合材料的制作方法

在該實驗中，稀釋的PDMS溶液由PDMS基礎試劑，固化劑和乙酸乙酯溶液以體積比為10∶1∶100的比例混合組成（PDMS的基本試劑：Sylgard 184;固化劑：道康寧）。把這三種溶劑混合在塑料模具中，用玻璃棒將它們徹底攪拌均勻。

制備稀釋的PDMS溶液后，我們將三維石墨烯泡沫輕輕放入溶液中，使其完全浸入混合溶液中，然后將模具放入真空干燥箱中，保持抽真空的狀態直到液體中沒有氣泡產生為止，這個過程大概需要10分鐘。隨后把模具放入烘箱中，在80℃的溫度下加熱約25分鐘，最后，將其置于自然通風的條件下使其干燥。

2 復合材料的太赫茲吸波特性

所有的吸波材料都滿足以下公式：吸收率（A）=1-反射率（R）-透射率（T）。在這個實驗中，我們使用fico裝置測試了該復合材料對太赫茲波束的透射譜，使用光泵浦太赫茲（OPTP）設備來測試該復合材料對太赫茲波的反射率，以此獲得了0.2THz至1.2THz之間的太赫茲反射譜和透射譜。

在0.2THz和1.2THz之間，該復合材料（三維石墨烯/PDMS聚合物）對太赫茲波束的最大透射率為6%，該復合材料對太赫茲波的反射率幾乎為零。根據吸收率（A）=1-反射率（R）-透射率（T），可見三維石墨烯/PDMS復合材料對太赫茲波束吸收率率很接近100%，太赫茲波束幾乎完全被樣品吸收。

在實驗中，三維石墨烯/PDMS復合材料的長度為5cm，當我們將樣品拉伸到5.5cm、6cm、6.5cm、7cm時，增加的長度依次為原始樣品長度的10%，在20%，30%，40%，測量復合材料對太赫茲波的透射率和反射率。我們發現，當復合材料被拉伸時，復合材料對太赫茲的透射率按順序稍微增加，但是增加的范圍較小，這是因為當拉伸樣品時，樣品中的三維石墨烯泡沫會破裂，空隙半徑會增大。此時，樣品對太赫茲波束的透射率將隨著拉伸幅度的增加而增加。可以發現，當拉伸增加的長度為原來長度的40%時，該復合材料對太赫茲波的透射率最高，接近16%。在拉伸該復合材料時，其對太赫茲波的反射率變化范圍很小，最高接近12%，所以，當在不同拉伸長度下，該三維石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）對太赫茲波的吸收率最低接近84%，表明再次狀態下，該復合材料對太赫茲波的吸收率依然很好。當拉伸長度過大時，三維石墨烯/PDMS復合材料會破裂。因此，在該實驗中，三維石墨烯/PDMS復合材料的最大長度增加為原始長度的40%。

當太赫茲波入射角為10度，20度，30度，40度時，在02THz到1.2THz之間，三維石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）復合材料對太赫茲波束的透射率最大接近7%，可以忽略不計;對太赫茲波束反射率約最高接近10%，所以樣品對太赫茲波束的吸收率高達90%。所以，在0.2THz至1.2THz的范圍內，樣品對太赫茲波束具有巨大的內部吸收能力。

3 結論

三維石墨烯泡沫和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的組合的復合材料對太赫茲波的吸收率很高，而且具有柔性結構。在實驗中，無論是拉伸該復合材料還是從不同角度入射太赫茲波，該復合材料的對太赫茲波依然有著極高的吸收率。由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的良好的黏性，我們可以將這種結構粘在衣服和電子器件表面，在復雜的電磁環境中實現太赫茲波的吸收避免太赫茲波對人體或者電子器件的干擾。

參考文獻：

[1]M.tonouchi.Cutting-edge terahertz technology[J].Nature.Photonic，2007，1（2）：97-105.

[2]劉盛綱，鐘任斌.太赫茲科學技術及其應用的新發展[J].電子科技大學學報，2009（05）：3-8.

[3]張懷武.我國太赫茲基礎研究[J].中國基礎科學，2008，010（001）：15-20.

項目：本項目受到國家自然科學基金（項目號：61831012，51572042）和科學挑戰計劃（項目號：TZ2018003）資助

作者簡介：梁博（1994—），男，漢族，四川儀隴人，電子科技大學電子學院2017級碩士生，研究方向：太赫茲吸波材料。