南開大學：研發出石墨烯泡沫全能型太赫茲隱身材料

太赫茲技術被美國評為“改變未來世界的十大技術”之一，被日本列為“國家支柱十大重點戰略目標”之首。近日，南開大學黃毅教授和陳永勝教授研究團隊創造性的提出了利用石墨烯泡沫作為太赫茲隱身材料的設想。

近期，《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）在線發表了南開大學研究人員開發出石墨烯泡沫-全能型太赫茲隱身材料的最新研究成果。該論文題為“Ultra-Broadband Wide-Angle Terahertz Absorption Properties of 3D Graphene Foam”。

太赫茲技術被美國評為“改變未來世界的十大技術”之一，被日本列為“國家支柱十大重點戰略目標”之首。太赫茲波一般是指頻率范圍在0.1-10 THz之間的電磁波，在電磁波譜中位于紅外與微波之間，是光子學向電子學的過渡區域。過去由于缺少高功率的太赫茲發射源以及靈敏的探測器，科學家們并沒有對太赫茲領域進行深入地研究，使得太赫茲技術的發展落后于其他波段，被稱為“太赫茲空白(THz Gap)”。近年來隨著半導體技術和光電子技術的發展，尤其是超快激光技術的發展，太赫茲技術得到了極大的發展。

南開大學團隊在石墨烯功能材料及其隱身應用方面開展了深入的研究工作。針對傳統隱身材料無法有效對抗太赫茲波探測的挑戰，提出了高性能太赫茲隱身材料設計的新思路。

雜志的評審專家對該研究給予了高度評價：“該論文第一次報道了基于三維石墨烯的太赫茲隱身材料，與傳統吸收體相比，這種材料由于其超高的孔隙率和長程有序的導電網絡結構，具有優秀的太赫茲波吸收性能。石墨烯泡沫在0.64 THz實現了28.6 dB的太赫茲吸收效率，其有效隱身頻段覆蓋了整個測試頻段，性能遠優于大多數的公開文獻。而且，三維石墨烯的比吸收性能(SATA)超過其他材料3000倍以上，給人留下了非常深刻的印象。”

研究團隊通過將氧化石墨烯組裝成為三維多孔石墨烯泡沫，經過高溫熱還原處理，然后通過太赫茲時域光譜系統研究了石墨烯泡沫對0.1-1.2 THz頻段電磁波的吸收性能。我們發現這種超高孔隙率(超過99.9%)的石墨烯泡沫結構有效降低了材料的有效介電常數，使得太赫茲波在材料表面的反射率大大降低，能夠輕松進入材料的內部，然后在孔隙內經歷多次散射、折射，并利用石墨烯的三維導電網絡將電磁波損耗掉。

▲ 石墨烯泡沫材料的基本表征

太赫茲吸收效率高

隨著熱處理溫度的提高，材料對太赫茲波的損耗明顯增加，在1000 °C熱處理的條件下達到最大吸收。研究團隊通過調控其介電常數，在保證石墨烯泡沫低表面反射的前提下，提高它的吸收能力，1000 °C熱處理的石墨烯泡沫材料在0.88 THz頻率達到了最高的太赫茲吸收效率19 dB。

有效隱身頻率范圍寬

石墨烯泡沫材料超高孔隙率的優點，使其具有可控的有效介電常數，在非常寬的頻率范圍內都保持了很低的表面反射，內部三維多孔的結構也使得太赫茲波在多次散射、折射的情況下被大量吸收。1000 °C熱處理的石墨烯泡沫材料在超過95%的測試頻段內均實現了10 dB以上的有效隱身。

▲ 不同熱處理溫度和厚度的石墨烯泡沫在0.1-1.2 THz下的反射損耗

適用太赫茲波入射角度廣

在實際應用中，太赫茲波的入射方向各不相同，這就需要太赫茲隱身材料能夠在不同入射角的情況下均達到較高的吸收性能。在太赫茲波入射角為45°的條件下，石墨烯泡沫在0.64 THz頻率實現了28.6 dB的最高太赫茲吸收效率，并且在整個測試頻率范圍內均達到了10 dB以上的有效隱身。不同于其他太赫茲隱身材料(如超材料)在高入射角下吸收性能的快速衰減，石墨烯泡沫在高入射角下，吸收性能表現得更為優異，并且能在不斷變化太赫茲波入射角的情況下保持很好的隱身性能。

相關論文全文發表在 Adv. Funct. Mater.2017.，November 24, 2017Volume 27, Issue 44（DOI: 10.1002/adfm.201704363）上。