顆粒在線訊：隨著新型多波段和寬帶電子儀器的蓬勃發(fā)展，開發(fā)具有寬帶電磁吸收能力的高性能微波吸收材料已成為迫切需求，以有效消除醫(yī)療保健、電子安全和國防信息安全中的電磁污染。在電磁微波吸收材料中，還原氧化石墨烯 (rGO) 由于其優(yōu)異的介電性能可調(diào)性而被廣泛研究。尤其是rGO海綿材料能在高頻范圍內(nèi)表現(xiàn)出非常出色的電磁吸收性能。然而，由于很難在良好的界面阻抗匹配和強(qiáng)介電損耗之間取得平衡，因此在低頻（2-4 GHz）下實(shí)現(xiàn)理想的電磁吸收特性仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)李宜彬教授、北京理工大學(xué)黃懌行副教授等人報(bào)道了基于具有不同單元形狀的rGO海綿的電磁吸收超材料。作者通過實(shí)驗(yàn)和模擬探索了單元形狀和電磁吸收性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)截頭錐體形狀的超材料表現(xiàn)出超寬帶電磁吸收性能，能在2.4-40GHz對(duì)電磁波進(jìn)行有效吸收（反射損耗低于-10dB）。在2-40 GHz頻段內(nèi)，其平均吸收強(qiáng)度高達(dá)-22.9 dB。同時(shí)，即使入射角從5°增加到40°，其反射損耗也幾乎不變，展現(xiàn)出優(yōu)異的阻抗匹配和強(qiáng)大的介電損耗。該截頭錐體狀的超材料在寬帶電磁防護(hù)應(yīng)用中具有廣闊的前景。該研究以題為“Achieving Super Broadband Electromagnetic Absorption by Optimizing Impedance Match of rGO Sponge Metamaterials”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

【石墨烯海綿的制備與性能】

作者先將GO溶液倒入模具中，冷凍干燥5天后，通過水合肼蒸汽將GO還原以產(chǎn)生不同形狀（球體、立方體、六棱柱和截頭錐體）的rGO海綿（圖1）。四種rGO海綿隨后被組裝成具有周期性排列的超材料（圖2a）。作者使用電弧法測(cè)量了2-40 GHz頻率范圍內(nèi)幾種超材料的反射損耗，發(fā)現(xiàn)不同單元形狀的超材料的電磁吸收特性明顯不同。其中，截頭錐體狀的超材料表現(xiàn)出最好的電磁吸收性能，可以在-10 dB以下實(shí)現(xiàn)2.4-40 GHz的有效電磁吸收。與其他純碳超材料或碳/磁性復(fù)合超材料相比，該超材料具有輕質(zhì)和寬帶吸收特性的優(yōu)點(diǎn)，其在6.4-38.3 GHz頻率范圍內(nèi)吸收率超過99%，遠(yuǎn)優(yōu)于其他超材料的帶寬。尤其在2-40 GHz頻段內(nèi)，其平均吸收強(qiáng)度高達(dá)-22.9 dB。同時(shí)，即使入射角從5°增加到40°，其反射損耗也幾乎不變（圖2c）。

圖1石墨烯海綿合成過程示意圖

圖2 電磁吸收性能

【宏觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制】

為了確定宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)電磁吸收的影響機(jī)制，作者模擬了各結(jié)構(gòu)共振峰處的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)均振幅分布和電磁損耗分布。對(duì)于球狀海綿，電場(chǎng)和功率損耗僅分布在頂部表面區(qū)域，表明入射微波無法傳播到晶胞中。對(duì)于立方體海綿，電場(chǎng)集中在晶胞內(nèi)部，但立方體缺乏梯度阻抗設(shè)計(jì)，其高頻吸收差。六棱柱海綿與立方體海綿具有相似的吸收性能。對(duì)于截頭錐體狀海綿，在低頻時(shí)在晶胞頂部和內(nèi)部區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯的電場(chǎng)集中，表明入射微波能進(jìn)入內(nèi)部以增加能量耗散。在高頻下發(fā)現(xiàn)晶胞側(cè)面和頂部區(qū)域的電場(chǎng)集中，表明高頻微波沒有被內(nèi)部rGO網(wǎng)絡(luò)反射和吸收。截頭錐體狀的梯度阻抗設(shè)計(jì)對(duì)低頻和高頻范圍的吸收都有積極的影響。因此，其吸收效率遠(yuǎn)優(yōu)于其他形狀，這也揭示了阻抗匹配在電磁吸收中起著至關(guān)重要的作用。

圖3復(fù)雜電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)均振幅分布和功率損耗分布

【電磁吸收機(jī)制】

作者基于上述實(shí)驗(yàn)和模擬分析，從多尺度的角度揭示了該超材料的電磁吸收機(jī)制（圖4）。在宏觀尺度上，良好的阻抗匹配受益于阻抗梯度結(jié)構(gòu)，截頭錐體形狀提高了晶胞對(duì)空氣的阻抗，從而減少了電磁反射，但不會(huì)削弱超材料的電磁能量衰減能力。因此，截頭錐體形狀的設(shè)計(jì)有效地?cái)U(kuò)展了吸收帶寬。在細(xì)觀尺度上，該超材料具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，且孔隙大小不同，導(dǎo)致電磁波的多次反射和吸收，增強(qiáng)了電磁吸收。在微觀尺度上，主要是源于電子移動(dòng)的電導(dǎo)損耗、rGO的界面極化以及rGO上偶極子的偶極極化弛豫的相互作用。因此，該超材料通過上述多尺度微波損耗機(jī)制實(shí)現(xiàn)了廣譜高強(qiáng)度電磁吸收。

圖4 超材料的多尺度電磁吸收機(jī)制

總結(jié)：作者展示了幾種基于具有不同形狀的rGO海綿的電磁吸收超材料。該超材料表現(xiàn)出超寬帶和高強(qiáng)度電磁吸收性能，整個(gè)測(cè)試頻段的平均吸收強(qiáng)度高達(dá)-22.9 dB。同時(shí)，即使入射角從5°增加到40°，其仍能保持優(yōu)異的電磁吸收性能。作者還從理論上證明了阻抗匹配特性在吸收低頻電磁波方面起著重要作用，出色的阻抗匹配和多尺度損耗機(jī)制有助于實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電磁吸收性能。