Advanced Optical Materials:大道至简——基于二维MXene纳米片的宽带超强太赫兹吸收材料

太赫兹波(0.1-10 THz)在下一代无线通信、安检成像、雷达探测、医学诊断、生物传感等领域显示出了巨大的应用前景。伴随太赫兹技术的快速发展,对太赫兹吸波材料的需求也与日俱增。例如,在太赫兹通信的收发两端和信道中,需要太赫兹吸波材料来减少旁瓣辐射或障碍物散射/反射杂波;在太赫兹成像以及高精度测试系统中,也需要太赫兹吸波材料来降低背景噪声,提高成像效果或者仪器测试精度;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。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。

实现宽频带太赫兹吸收材料的一种潜在的方法是采用多孔导电网络结构,利用多孔材料表面近似于空气的电磁参数,使得电磁波可以轻松进入材料内部被损耗吸收。然而,该导电网络的孔隙率和材料的机械强度是多孔材料满足实际应用需求的两个主要难题。一般而言,较大的孔隙有利于降低表面反射从而使得更多的电磁波进入材料内部,但另一方面却可能使得较多的电磁波透过材料而不能被充分吸收,这降低了电磁波吸收效果。此外,为了获得多孔结构和高导电网络结构,经常需要采用特殊的材料制备方法和后处理工艺,包括强酸碱处理、冷冻干燥、高温热处理等等,所获得的材料在柔韧性、可拉伸性、可压缩性等机械性能方面难以满足实际需求。

针对这些技术难题,电子科技大学文岐业团队和肖旭团队采用大面积MXene二维纳米片和大孔径聚氨酯(PU)海绵,通过“浸泡—吸附”的简单方法合成了一种结构稳定、强吸收、宽频带工作的太赫兹吸收泡沫。相关结果发表在Advanced Optical Materials(DOI:10.1002/adom.202001120)上。

该工作提出了利用超大孔径聚合物弹性泡沫(PU)吸附高导电率MXene纳米片来构建太赫兹宽带吸波材料的新思路。研究者通过合理的结构优化,构建了能与太赫兹波长在几何空间上相匹配的开孔导电结构,实现了良好的阻抗匹配,使得太赫兹波更加容易进入材料内部并发生电损耗。同时该研究发现,具有超高导电率和强水溶液分散性的MXene二维纳米片,依据其载量的不同和PU孔径的不同,在PU网络骨架上形成了骨架包裹、纳米成膜和不规则悬挂等丰富形态,构建出兼有大孔径结构(~650μm)和超高电损耗面积的三维导电网络结构。其中不同形态的不规则MXene纳米片在吸波材料内部提供了大量的太赫兹波反射、折射和吸收,使得该吸波材料以2-4mm的材料厚度即可实现了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。同时,该吸收材料具有结构稳定、机械强度好、超轻超薄的优异性能,还具有制备工艺简单、可大面积制备的诸多优点,在太赫兹成像、6G通信、高频太赫兹测试系统以及装备隐身技术具有重要的应用潜力。