基于三维石墨烯的可拉伸以及可穿戴的太赫兹吸波复合材料

摘 要：本文介绍了一种基于三维石墨烯泡沫并结合聚二甲基硅氧烷（PDMS）的太赫兹吸波材料，表征了这种三维石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料的形貌，探究了这种复合材料对太赫兹波的吸收特性。在文章中，我们通过模板导向的化学沉积方法来制备三维石墨烯泡沫，将制备好的三维石墨烯泡沫浸入被乙酸乙酯稀释过的聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液中，然后把样品放入真空箱中抽取溶液中的空气，最后在80℃的加热台上固化一个小时从而形成三维石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料，这个过程中不需要使用发泡剂，流程十分简单。从外观上看，三维石墨烯仿佛“生在”在聚二甲基硅氧烷中。由于该复合材料对于太赫兹波有很弱的表面反射和巨大的内部吸收，因此在0.2THz至1.2THz的频率范围内，该复合材料对太赫兹波的吸收率高达90%，表明该复合材料对太赫兹波有很强的吸收特性。此外，该复合材料有良好的柔韧性，在实验中，在拉伸复合材料后，该材料依然具有良好的太赫兹吸收性能。当太赫兹波入射角依次为10度，20度，30度，40度时，太赫兹波从不同角度入射下，该材料对太赫兹波的透射率和反射率变化范围不大，透射率最高为6%。当太赫兹波入射角度为40度时，该材料对太赫兹波的反射率最高接近为10%，综合分析得出，当太赫兹波入射角度为10度，20度，30度，40度时，在0.2THz-1.2THz内，该材料对太赫兹波的吸收率最低为84%，表明无论太赫兹波束入射角怎样变化，该复合材料对太赫兹波有着极强的吸收性。由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）有着良好的黏性，既可以将此复合材料粘附在衣物上面，在特定的电磁环境下，人体可以方便地粘附在衣物或皮肤上，避免太赫兹波对人体的影响，也可以方便地粘附在在某些电子器件表面，该复合材料吸收掉干扰该电子器件的太赫兹杂波，避免了太赫兹波对电子器件的干扰，从而在复杂的电磁环境下能更好地实现某些电子器件的功能。

关键词：太赫兹;三维石墨烯泡沫;聚二甲基硅氧烷;吸波材料;可穿戴

太赫兹波是电磁频率介于0.1THz-10THz（1THz=1012Hz）之间，波长在0.03mm—0.3mm之间的一段电磁波。太赫兹波或太赫兹射线（T-ray）是20世纪80年代才正式被命名的，在此之前科学家统一将其称为远红外射线。在频率上，太赫兹波在红外线和毫米波之间;从能量的角度来看，太赫兹波介于电子和光子之间[1]。太赫兹波在电磁频谱中占有特殊的位置，其长波方向与亚毫米波相重合，它的短波方向与红外线相重合，太赫兹的长波方向属于电子学范畴，其短波方向属于光子学范畴，所以太赫兹学科属于电子学与光子学的“交叉学科”[2，3]。

1 三维石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料的制作方法

在该实验中，稀释的PDMS溶液由PDMS基础试剂，固化剂和乙酸乙酯溶液以体积比为10∶1∶100的比例混合组成（PDMS的基本试剂：Sylgard 184;固化剂：道康宁）。把这三种溶剂混合在塑料模具中，用玻璃棒将它们彻底搅拌均匀。

制备稀释的PDMS溶液后，我们将三维石墨烯泡沫轻轻放入溶液中，使其完全浸入混合溶液中，然后将模具放入真空干燥箱中，保持抽真空的状态直到液体中没有气泡产生为止，这个过程大概需要10分钟。随后把模具放入烘箱中，在80℃的温度下加热约25分钟，最后，将其置于自然通风的条件下使其干燥。

2 复合材料的太赫兹吸波特性

所有的吸波材料都满足以下公式：吸收率（A）=1-反射率（R）-透射率（T）。在这个实验中，我们使用fico装置测试了该复合材料对太赫兹波束的透射谱，使用光泵浦太赫兹（OPTP）设备来测试该复合材料对太赫兹波的反射率，以此获得了0.2THz至1.2THz之间的太赫兹反射谱和透射谱。

在0.2THz和1.2THz之間，该复合材料（三维石墨烯/PDMS聚合物）对太赫兹波束的最大透射率为6%，该复合材料对太赫兹波的反射率几乎为零。根据吸收率（A）=1-反射率（R）-透射率（T），可见三维石墨烯/PDMS复合材料对太赫兹波束吸收率率很接近100%，太赫兹波束几乎完全被样品吸收。

在实验中，三维石墨烯/PDMS复合材料的长度为5cm，当我们将样品拉伸到5.5cm、6cm、6.5cm、7cm时，增加的长度依次为原始样品长度的10%，在20%，30%，40%，测量复合材料对太赫兹波的透射率和反射率。我们发现，当复合材料被拉伸时，复合材料对太赫兹的透射率按顺序稍微增加，但是增加的范围较小，这是因为当拉伸样品时，样品中的三维石墨烯泡沫会破裂，空隙半径会增大。此时，样品对太赫兹波束的透射率将随着拉伸幅度的增加而增加。可以发现，当拉伸增加的长度为原来长度的40%时，该复合材料对太赫兹波的透射率最高，接近16%。在拉伸该复合材料时，其对太赫兹波的反射率变化范围很小，最高接近12%，所以，当在不同拉伸长度下，该三维石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）对太赫兹波的吸收率最低接近84%，表明再次状态下，该复合材料对太赫兹波的吸收率依然很好。当拉伸长度过大时，三维石墨烯/PDMS复合材料会破裂。因此，在该实验中，三维石墨烯/PDMS复合材料的最大长度增加为原始长度的40%。

当太赫兹波入射角为10度，20度，30度，40度时，在02THz到1.2THz之间，三维石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料对太赫兹波束的透射率最大接近7%，可以忽略不计;对太赫兹波束反射率约最高接近10%，所以样品对太赫兹波束的吸收率高达90%。所以，在0.2THz至1.2THz的范围内，样品对太赫兹波束具有巨大的内部吸收能力。

3 结论

三维石墨烯泡沫和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的组合的复合材料对太赫兹波的吸收率很高，而且具有柔性结构。在实验中，无论是拉伸该复合材料还是从不同角度入射太赫兹波，该复合材料的对太赫兹波依然有着极高的吸收率。由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的良好的黏性，我们可以将这种结构粘在衣服和电子器件表面，在复杂的电磁环境中实现太赫兹波的吸收避免太赫兹波对人体或者电子器件的干扰。

参考文献：

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

[2]刘盛纲，钟任斌.太赫兹科学技术及其应用的新发展[J].电子科技大学学报，2009（05）：3-8.

[3]张怀武.我国太赫兹基础研究[J].中国基础科学，2008，010（001）：15-20.

项目：本项目受到国家自然科学基金（项目号：61831012，51572042）和科学挑战计划（项目号：TZ2018003）资助

作者简介：梁博（1994—），男，汉族，四川仪陇人，电子科技大学电子学院2017级硕士生，研究方向：太赫兹吸波材料。