一種基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器，屬于微波器件技術(shù)領(lǐng)域，包括疊合在一起的四層結(jié)構(gòu)：電解液石墨烯層、高阻抗表面層、介質(zhì)層和金屬底板；在金屬底板上設(shè)置介質(zhì)層，在介質(zhì)層上設(shè)置高阻抗表面層，在高阻抗表面層上設(shè)置電解液石墨烯層。本發(fā)明的基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器明將電解液調(diào)控石墨烯技術(shù)和高阻抗表面結(jié)合在一起設(shè)計(jì)超吸波器，不僅結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小便于集成，而且覆蓋X波段的寬頻吸波，具備90％以上的高吸收率，對電磁波入射角度和極化角度不敏感，適用于通信、家用消費(fèi)電子和軍事隱身技術(shù)等領(lǐng)域，具備很好的實(shí)用性。
【專利說明】
一種基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于微波器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁 波吸收器。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的吸波器按照吸收帶寬可以分為窄帶吸波器、多頻吸波器和寬頻吸波器三 種，其在結(jié)構(gòu)上一般采用金屬-介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)。窄帶吸波器對單頻率電磁波具有很強(qiáng) 的吸收，但由于其吸收的帶寬極窄，一般只針對某一特定的頻率，故其在應(yīng)用上具有很大的 限制性，不能在器件上得以應(yīng)用。多頻吸波器對某幾個(gè)特定頻率的電磁波具有較高的吸收， 但存在較多缺陷。一般的多頻吸波器其特定吸收的電磁波頻率分散，不能達(dá)到連續(xù)吸收且 對幾個(gè)頻率的吸收會相互妥協(xié)，不能兼顧，致使其吸收減弱。寬頻吸波器一般采用多層設(shè) 計(jì)，將幾個(gè)不同的結(jié)構(gòu)疊加耦合到一起，但存在的問題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備困難?，F(xiàn)有的吸波 器還普遍存在吸收角度窄，且對入射電磁波的極化方向敏感，大大限制了現(xiàn)有吸波器的應(yīng) 用。
[0003] 對特定頻率的電磁波，現(xiàn)有吸波器的吸收帶寬窄，不能在整個(gè)光譜范圍內(nèi)達(dá)到較 高吸收;吸收角較小，不能在較大的角度范圍內(nèi)達(dá)到較高吸收;現(xiàn)有吸波器對入射的電磁波 的極化方向敏感，不能達(dá)到很好的吸收。
[0004]自從2004年發(fā)現(xiàn)石墨稀以來，引起了人們強(qiáng)烈的研究興趣。G.W.Hanson教授提出， 石墨稀的電導(dǎo)率可以由Kubo公式表不為（"Duadic Green's functions and guided surface waves for a surface conductivity model of graphene，''J.Appl · Phys · 103 (6)，064302,2008)。
[0005]
[0006] 其中_e為電子電量4 = A/2;r為普朗克常數(shù)，kB為波爾茲曼常數(shù)，fd(e) = l/(l+exp [(ε-Κ)/αΒΤ)])是費(fèi)米狄拉克分布，ω為角頻率，μ。為化學(xué)勢，Γ表示散射率，T表示溫度。 由上述公式可知，石墨烯的電導(dǎo)率是隨著化學(xué)勢的變化而變化的，不同的電導(dǎo)率又對應(yīng)著 不同的介電常數(shù)，它們的對應(yīng)關(guān)系為:1^(￡ 8,(3(1)=-〇8,:1/〇^+6()^-〇 8，石墨稀的損耗為|11]1 (eg,eq)/Re(eg, eq) I。所以，我們可以通過改變石墨烯的化學(xué)勢來得到我們想要的介電常數(shù)， 從而可以得到不同的折射率。因此，石墨烯是一種可以用來制作電磁波吸收器的理想材料。 石墨烯化學(xué)勢與門電壓的關(guān)系為：
[0007]
[0008] 2015年OsmanBal c i教授提出用附加電極的電解液在微博波段來調(diào)控石墨電特性。 我們以此理論結(jié)合高阻抗表面技術(shù)來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電磁波吸收器（"Graphene-enabled electrically switchable radar-absorbing surfaces，Nature Commun，6,6628,2015"）。
[0009] 常規(guī)金屬面的表面阻抗23 = 〇,為將其改性成一定頻帶范圍內(nèi)的高阻抗表面（Zs =0 )，可在金屬表面處加載一層厚度極薄的無損耗介質(zhì)夾層，并采用金屬蝕刻技術(shù)將金屬 網(wǎng)格單元陣列周期的布置在上表面。根據(jù)傳輸線理論，當(dāng)加載的網(wǎng)格單元周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于提供一種基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收 器，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且提高了吸收率。
[0011] 技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0012] -種基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器，包括疊合在一起的四層結(jié)構(gòu)： 電解液石墨烯層、高阻抗表面層、介質(zhì)層和金屬底板;在所述的金屬底板上設(shè)置介質(zhì)層，在 介質(zhì)層上設(shè)置高阻抗表面層，在高阻抗表面層上設(shè)置電解液石墨烯層。
[0013] 所述的電解液石墨烯層包括石墨烯層和電解液層，在電解液層上下表面分別設(shè)置 石墨稀層。
[0014] 兩層所述的石墨烯層分別鋪在聚氯乙烯材料的薄膜襯底上后再在中間夾著電解 液層。
[0015] 所述的電解液層是由甲基苯二酸二乙酯、三氟甲磺酰亞胺和Tf2N離子液混合而 成。
[0016] 所述的高阻抗表面層為銅薄片蝕刻成Jerusalem十字型周期結(jié)構(gòu)。
[0017]所述的電解液石墨稀層厚度為〇.lmm〇
[0018]所述的介質(zhì)層是泡沫苯乙稀材料，厚度5.2mm。
[0019]所述的金屬底板，材質(zhì)為銅，厚度為0.1mm。
[0020] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收 器明將電解液調(diào)控石墨烯技術(shù)和高阻抗表面結(jié)合在一起設(shè)計(jì)超吸波器，不僅結(jié)構(gòu)簡單、尺 寸小便于集成，而且覆蓋X波段的寬頻吸波，具備90%以上的高吸收率，對電磁波入射角度 和極化角度不敏感，適用于通信、家用消費(fèi)電子和軍事隱身技術(shù)等領(lǐng)域，具備很好的實(shí)用 性。
【附圖說明】
[0021] 圖1是吸波器側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2是吸波器的高阻抗表面的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖3是利用電解液調(diào)控石墨烯電導(dǎo)率裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4是基于石墨烯的吸波器的原理的等效電路示意圖；
[0025]圖5是吸收率的頻率分布圖；
[0026] 圖6是電磁波多入射角度照射下本吸波器的吸波效果；
[0027] 圖7是吸波器的吸收率頻率分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。
[0029 ]如圖1所示，一種基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器，包括疊合在一起的 四層結(jié)構(gòu)：電解液石墨烯層1、高阻抗表面層2(高阻抗表面是一個(gè)專有名詞，阻抗接近無窮 大)介質(zhì)層3和金屬底板4;在金屬底板4上設(shè)置介質(zhì)層3，在介質(zhì)層3上設(shè)置高阻抗表面層2， 在高阻抗表面層2上設(shè)置電解液石墨烯層1。
[0030]如圖3所示，電解液石墨烯層1包括石墨烯層11和電解液層12,在電解液層12上下 表面分別設(shè)置石墨烯層11，兩層石墨烯層11分別鋪在聚氯乙烯材料的薄膜襯底上后在中間 夾著電解液層12,電解液層12是由甲基苯二酸二乙酯、三氟甲磺酰亞胺和Tf2N(l-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽)離子液混合而成。電解液石墨烯層1厚度為0.1mm。圖3中V是 指加在兩層石墨烯上的電極的電壓，范圍是-5伏特到+5伏特。電解液層12為愛為科研品牌 的 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽;CAS: 174501-64-5;彡99% ; [BMIM]PF6。
[0031 ] 通過金屬蝕刻技術(shù)將銅薄片蝕刻成Jerusalem十字型周期結(jié)構(gòu)（jerusalem十字型 指的是圖2那種形狀，翻譯叫耶路撒冷十字型)來形成金屬高阻抗表面，即為高阻抗表面層 2，厚度為十幾微米，可以忽略不計(jì)。
[0032]介質(zhì)層3是泡沫苯乙稀材料，厚度5.2mm。金屬底板4,材質(zhì)為銅，厚度為0.1mm [0033]如圖2所示，金屬銅薄片被蝕刻為對稱的Jerusalem十字型結(jié)構(gòu)，一個(gè)周期單元的 尺寸為6mm X 6mm。具體參數(shù)為:Jerusalem十字型結(jié)構(gòu)的每個(gè)十字的長寬均為2mm，十字四周 端部的長度為〇. 2mm，相鄰兩單元間距為0.1mm。
[0034]圖4是基于石墨烯的吸波器的原理的等效電路示意圖。
[0035] 如圖5所示，吸波頻段近似在X波段9.7GHZ-10.7GHz，中心頻率在10.28GHz左右。中 心頻段附近吸波率接近99%?？梢钥闯鲈谑┍砻孀杩拐{(diào)節(jié)在1200歐時(shí)，在吸波頻段內(nèi) 可以達(dá)到很好的吸波效果。
[0036] 圖6是本發(fā)明電磁波多入射角度照射下本吸波器的吸波效果，圖中的五條曲線是 入射角度分別為0°、15°、30°、45°和50°的條件下，所設(shè)計(jì)的吸波器的吸收率頻率分布圖。圖 6可以得出，該吸波裝置在面對有有極化角或者斜入射的電磁波時(shí)，依然具有良好的吸波效 果，中心頻率附近的吸波效率也可以達(dá)到90%以上。
[0037] 圖7是分別夾電解液的上下兩層石墨烯層上加載不同的偏置電極時(shí)，獲得石墨烯 層不同的表面阻抗的情況下，吸波器的吸收率頻率分布圖。圖中的四條曲線由上到下分別 是表面阻抗為1200Ω、200Ω、70Ω、20Ω情況下的吸收率分布曲線。圖7表現(xiàn)出該吸波器的 可調(diào)控性，通過調(diào)節(jié)所加電極使石墨烯的表面阻抗變化，從而獲得不同的吸波效果；同一頻 段內(nèi)，例如9.7GHZ-10.5GHz內(nèi)，調(diào)節(jié)表面阻抗到1200 Ω時(shí)可以實(shí)現(xiàn)90%以上的吸波率;再調(diào) 節(jié)到幾十歐姆時(shí)，吸波率變?yōu)?.2-0.5左右，從而達(dá)到動態(tài)切換吸波透波的功能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器，其特征在于:包括疊合在一起的 四層結(jié)構(gòu)：電解液石墨烯層（1)、高阻抗表面層(2)、介質(zhì)層(3)和金屬底板(4);在所述的金 屬底板(4)上設(shè)置介質(zhì)層(3)，在介質(zhì)層(3)上設(shè)置高阻抗表面層(2)，在高阻抗表面層(2)上 設(shè)置電解液石墨烯層(1)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器，其特征在于:所 述的電解液石墨烯層（1)包括石墨烯層（11)和電解液層（12)，在電解液層(22)上下表面分 別設(shè)置石墨烯層（11)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器，其特征在于:兩 層所述的石墨烯層（11)分別鋪在聚氯乙烯材料的薄膜襯底上后再在中間夾著電解液層 (⑵。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器，其特征在于:所 述的電解液層（12)是由甲基苯二酸二乙酯、三氟甲磺酰亞胺和Tf2N離子液混合而成。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器，其特征在于:所 述的高阻抗表面層(2)為銅薄片蝕刻成Jerusalem十字型周期結(jié)構(gòu)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器， 其特征在于:所述的電解液石墨稀層(1)厚度為0.1mm。7. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器， 其特征在于:所述的介質(zhì)層(3)是泡沫苯乙稀材料，厚度5.2_。8. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的基于電解液調(diào)控石墨烯的超薄電磁波吸收器， 其特征在于:所述的金屬底板(4)，材質(zhì)為銅，厚度為0.1mm。
【文檔編號】H01Q17/00GK105932426SQ201610368940
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】陸衛(wèi)兵, 張金, 王健, 劉震國
【申請人】東南大學(xué)