技術(shù)領(lǐng)域

本公開一般涉及使用石墨烯吸收寬帶電磁波的結(jié)構(gòu)和方法，更具體地，涉及被配置為吸收從電磁波發(fā)生源發(fā)射的微波和太赫茲頻率的寬帶電磁波的石墨烯片(graphene sheet)的方法和結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前正在調(diào)查研究用于眾多商業(yè)和軍事應(yīng)用的在微波和太赫茲頻譜范圍的寬帶吸收材料的發(fā)展。例如，太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)能夠探測(cè)亞毫米級(jí)的目標(biāo)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠根據(jù)吸收的頻譜依賴性區(qū)分材料。對(duì)于軍事應(yīng)用，可基于頻譜響應(yīng)，通過名錄(catalogue)或薄葉(thin foliage)以及從背景辨別出的目標(biāo)來偵測(cè)武器或人員。完全吸收所關(guān)注的(例如太赫茲頻率的)入射電磁波以使得不發(fā)生透射和反射的寬帶吸收材料的使用可被用來有效地隱藏目標(biāo)。但是，用于該目的的大部分已知材料系統(tǒng)依賴于吸收頻譜的諧振峰值，且因此仍然缺少寬帶解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)實(shí)施例，一種用于吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的結(jié)構(gòu)包括多個(gè)石墨烯片，所述多個(gè)石墨烯片位于將隱形(cloak)于電磁輻射的物體上或其周圍。在一些情況下，該隱形結(jié)構(gòu)還可包括位于相鄰的石墨烯片之間的透明介電層。

在另一實(shí)施例中，一種用于吸收微波和太赫茲頻率的寬帶電磁輻射的結(jié)構(gòu)包括多個(gè)石墨烯片，所述多個(gè)石墨烯片被配置為位于物體上或其周圍以吸收微波和太赫茲頻率的寬帶電磁輻射。

在另一實(shí)施例中，用于吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的可移動(dòng)(removable)結(jié)構(gòu)包括含有石墨烯的織物，其中所述織物被配置為可移動(dòng)地裹在物體周圍，其中石墨烯具有能有效吸收微波和/或太赫茲頻率的電磁輻射的至少一部分的量。

通過本發(fā)明的技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的其他實(shí)施例和方面在此被詳細(xì)描述并被認(rèn)為是所要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。為了更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征，參考說明和附圖。

附圖說明

在說明書的結(jié)尾處的權(quán)利要求書中具體地指出并明確地要求保護(hù)被認(rèn)為是本發(fā)明的主題。通過以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，在附圖中：

圖1示例出遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段中單個(gè)石墨烯層的透射頻譜。

圖2示例出根據(jù)實(shí)施例用于吸收微波和太赫茲頻譜的電磁輻射的電磁寬帶吸收結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括多個(gè)石墨烯片。

圖3示例出根據(jù)實(shí)施例用于吸收微波和太赫茲頻譜的電磁輻射的電磁寬帶吸收結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括通過透明介電層分隔的多個(gè)石墨烯片。

圖4示例出根據(jù)實(shí)施例用于吸收微波和太赫茲頻譜的電磁輻射的電磁寬帶吸收結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括含有石墨烯鱗片(graphene flake)的涂層。

具體實(shí)施方式

本文中公開了用于吸收處于微波和太赫茲頻率的從電磁輻射源發(fā)射的電磁輻射的至少一部分的電磁寬帶吸收結(jié)構(gòu)和方法。通過提供對(duì)微波和太赫茲頻率的電磁波的寬帶吸收，由于寬帶電磁波被吸收且沒有發(fā)生透射或反射，因此可以在這些頻率下有效地隱藏物體。本文中使用的術(shù)語(yǔ)“微波”一般而言是指1毫米到1米的波長(zhǎng)范圍(即，300MHz到300GHz)，而術(shù)語(yǔ)“太赫茲”一般而言是指在1000到100微米之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(即，300GHz到3THz)的亞毫米波能。

電磁寬帶吸收結(jié)構(gòu)通常由多個(gè)石墨烯片形成，其中電磁寬帶吸收結(jié)構(gòu)能有效地吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的至少一部分。石墨烯片的數(shù)量通常取決于所預(yù)期的應(yīng)用和具體應(yīng)用所需的最小反射。典型的石墨烯“層”可包括單個(gè)石墨烯片或多個(gè)石墨烯片，例如，在一些實(shí)施例中是1片到1000片，在其他實(shí)施例中是約10片到100片。在大部分實(shí)施例中，所產(chǎn)生的由石墨烯片組成的石墨烯層可具有約1納米到約100納米的厚度，而在其他實(shí)施例中具有約10nm到約80nm的厚度。

石墨烯是一種以平面六角形結(jié)構(gòu)排列的二維的碳原子同素異形體。其以有用的電子特性為特征，這些電子特性包括兩極性、高純度、高遷移率、高臨界電流密度。已報(bào)導(dǎo)了在室溫下高達(dá)200,000cm²/Vs的電子遷移率值。

在結(jié)構(gòu)上，石墨烯具有由sp2雜化而形成的雜化軌道。在sp2雜化中，2s軌道和三個(gè)2p軌道中的兩個(gè)混合而形成三個(gè)sp2軌道。剩下的一個(gè)p軌道在碳原子之間形成π鍵。與苯的結(jié)構(gòu)相似，石墨烯的結(jié)構(gòu)具有p軌道的共軛環(huán)，該共軛環(huán)呈現(xiàn)出比僅通過共軛的穩(wěn)定性所期望的更強(qiáng)的穩(wěn)定性，即，石墨烯結(jié)構(gòu)是芳族結(jié)構(gòu)。與諸如金剛石、無(wú)定形碳、碳納米泡沫(carbon nanofoam)、或富勒烯的其它碳的同素異形體不同，石墨烯不是碳的同素異形體，這是因?yàn)槭┑暮穸仁且粋€(gè)原子碳層，即，一個(gè)石墨烯片不形成三維晶體。

石墨烯具有不尋常的帶結(jié)構(gòu)，其中錐形電子和空穴袋僅在動(dòng)量空間中的布里淵區(qū)(Brillouin zone)的K點(diǎn)處相遇。電荷載流子(即電子或空穴)的能量具有對(duì)載流子的動(dòng)量的線性相關(guān)性。結(jié)果，載流子如同具有零有效質(zhì)量的相對(duì)的狄拉克-費(fèi)米子(Dirac-Fermions)，并以ceJf￡l06米/秒的有效光速移動(dòng)。其相對(duì)量子力學(xué)行為由狄拉克方程支配。結(jié)果，石墨烯片具有在4K下最高60,000cm2/V-sec的大載流子遷移率。在300K下，載流子遷移率為約15,000cm2/V-sec。而且，在石墨烯片中已觀察到量子霍爾效應(yīng)。

K(K’)點(diǎn)附近的石墨烯的線性色散導(dǎo)致非常寬帶波長(zhǎng)范圍的垂直入射光的恒定的帶間吸收(從價(jià)帶到導(dǎo)帶，約2.3％)。更有趣的是，在微波和太赫茲頻率范圍，帶間吸收占優(yōu)勢(shì)，并且，依賴于石墨烯中的載流子濃度，單個(gè)層在300微米的光波長(zhǎng)下可吸收多達(dá)30％，這可從圖1中提供的透射頻譜得到證明。結(jié)果，將石墨烯用于微波和太赫茲頻率吸收具有眾多優(yōu)點(diǎn)，例如，其為超薄的且相對(duì)于其他材料是有效的吸收層。而且，由于石墨烯是由以蜂窩晶格堆積的碳原子形成的一個(gè)原子厚的單層片，其中每個(gè)碳原子通過sp2鍵合而被鍵合到三個(gè)鄰近的碳原子，因此，提供有效吸收所需的整體厚度是最小的，為若干納米的量級(jí)。因此，石墨烯片的使用為要被屏蔽的物體提供最小的附加重量，具有寬帶吸收能力，并提供比現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)更大的通用性。而且，石墨烯因?yàn)槠涓邫C(jī)械強(qiáng)度和高穩(wěn)定性而被廣泛認(rèn)可，這些特性對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說是所需的特性。

石墨烯片可通過本領(lǐng)域中已知的任何合適的工藝制成，這些工藝包括例如對(duì)體石墨的機(jī)械剝離、化學(xué)沉積、生長(zhǎng)等。目前，在形成石墨烯層的常規(guī)方法當(dāng)中，通過化學(xué)氣相沉積形成石墨烯層的方法是常用的，這是因?yàn)榭梢砸韵鄬?duì)低的成本制造大面積的石墨烯層。

僅通過舉例，在金屬(即，箔)基板上的化學(xué)氣相沉積(CVD)可被用來形成石墨烯片。為了通過化學(xué)氣相沉積形成石墨烯層，前體(precursor)被選擇為使得該前體的催化分解形成石墨烯層。前體可以是氣體、液體、或固體的碳?xì)浠衔铮缂淄?、乙烯、苯、甲苯等。前體也可包括諸如氫氣的其他材料并與所述其他材料混合。

CVD工藝可在大氣壓力下實(shí)施，或者CVD設(shè)備的真空室可被排氣而低于大氣壓。在一個(gè)實(shí)施例中，真空室在100mTorr和500mTorr之間被施壓。CVD設(shè)備也可被配置為加熱將用石墨烯涂覆的基板。例如，基板可被加熱到在某些前體和應(yīng)用的情況下所需的約1200℃或更高。

也可使用化學(xué)剝離來形成石墨烯片。這些技術(shù)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的，由此不在此進(jìn)行進(jìn)一步的描述。

如一些應(yīng)用所需的，石墨烯可形成在基板上。具體的基板不旨在被限制，且甚至可包括電磁輻射源本身。例如，結(jié)構(gòu)性材料(structural material)可包括泡沫、蜂窩、玻璃纖維疊層、Kevlar纖維復(fù)合材料、聚合物材料、或其組合。合適的結(jié)構(gòu)性材料的非限制性例子包括聚氨酯、硅氧烷、氟硅氧烷、聚碳酸酯、乙烯乙酸乙烯酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚砜、丙烯酸樹脂(acrylics)、聚氯乙烯、聚亞苯基醚、聚苯乙烯、聚酰胺、尼龍、聚烯烴、聚(醚醚酮)、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、含氟聚合物、聚酯、縮醛、液晶聚合物、聚丙烯酸甲酯、聚苯醚、聚苯乙烯、環(huán)氧類、酚類、氯磺酸酯、聚丁二烯、氯丁橡膠、腈類、聚異戊二烯、天然橡膠、諸如苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、乙烯-丙烯、乙烯-丙烯-二烯單體(EPDM)、腈-丁二烯和苯乙烯-丁二烯、及其共聚物和混合物。任何前述材料可被無(wú)泡沫地使用，或者如果應(yīng)用需要，可被吹制或被化學(xué)或物理地處理成開放的或閉合的基元泡沫(cell foam)。

基板的形狀不旨在受限制。例如，基板可具有平面和/或曲線表面，例如可被發(fā)現(xiàn)為箔狀、盤狀、管狀等。

一旦形成石墨烯片，就可以使用常規(guī)的剝離技術(shù)將片沉積到所需的物體上，或可將片直接沉積到感關(guān)注的基板。通常，片被沉積為一個(gè)在另一個(gè)的頂上以形成膜。由此，僅通過舉例的方式，石墨烯膜可包括多個(gè)石墨烯片的疊層(也被稱為層)。術(shù)語(yǔ)“基板”通常被用來指想要在其上沉積石墨烯膜的任何合適的基板，且使得該特定基板有效地從微波和太赫茲頻率的電磁輻射隱藏。

在圖2中示出的一個(gè)實(shí)施例中，用于吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的電磁寬帶吸收結(jié)構(gòu)10包括被直接傳遞(transfer)到所關(guān)注的基板12的多個(gè)石墨烯片14¹、14²、……14ⁿ。所使用的石墨烯片的數(shù)量通常根據(jù)期望的應(yīng)用和特定應(yīng)用所需的最小反射水平。

在圖3中示出的另一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)置在物體22上或周圍的、用于吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的電磁寬帶吸收結(jié)構(gòu)20包括一個(gè)或多個(gè)石墨烯片24¹、24²、…24ⁿ，其中在石墨烯片之間具有透明中間介電層26。

在一個(gè)實(shí)施例中，合適的介電材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅、多孔二氧化硅、聚酰亞胺、聚降冰片烯、苯并環(huán)丁烯、甲基倍半硅氧烷(methylsilsequioxanes)、摻雜的玻璃層，例如磷硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃等。在其他實(shí)施例中，介電層可以是低k介電層，其中低k通常是指具有小于二氧化硅的介電常數(shù)的材料。示例性低k介電材料包括但不限于來自Dow Chemical的來自Novellus的來自Applied Materials的Black且可使用旋涂的電介質(zhì)。通?？杀幻枋鰹镾ICOH電解質(zhì)。根據(jù)特定的介電材料，介電層可通過化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、大氣沉積以及旋涂技術(shù)而形成。在一個(gè)實(shí)施例中，介電層是化學(xué)氣相沉積的材料，例如二氧化硅或氮化硅，其被沉積在相鄰的石墨烯層之間。通過調(diào)整中間介電層的折射率和厚度，可以針對(duì)特定應(yīng)用使結(jié)構(gòu)的性能最優(yōu)化。

在圖4中示出的另一個(gè)實(shí)施例中，用于吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的電磁寬帶吸收結(jié)構(gòu)30包括涂料配方(paint formulation)的一個(gè)或多個(gè)涂層34，所述涂料配方包括石墨烯鱗片作為施加到物體32的表面的顏料以用于隱形。石墨烯鱗片的量通?？稍谕苛吓浞街胁煌?。但是，高濃度通常是優(yōu)選的，以使涂層厚度最小化。包括諸如乳膠的粘合劑的涂料配方的其他成分可以是常規(guī)用于涂料配方的成分，只要其他成分不干擾由石墨烯鱗片中提供的吸收特性即可。例如，粘合劑可包括合成的或天然的樹脂，例如醇酸、丙烯酸類樹脂、乙烯基丙烯酸類樹脂、乙酸乙烯酯/乙烯(VAE)、聚氨酯、聚酯、蜜胺樹脂、環(huán)氧樹脂或油。粘合劑可根據(jù)用于干燥或固化的機(jī)理而被分類。盡管干燥可指溶劑的蒸發(fā)或稀釋劑，其通常指粘合劑的氧化交聯(lián)，且區(qū)分于固化。一些涂料僅通過溶劑蒸發(fā)而形成，但大部分涂料依賴于交聯(lián)處理。涂料配方也可包括各種混雜的添加劑，這些添加劑通常以較小量被添加。通過舉例的方式，典型的添加劑可被包括以修改表面張力、改善流動(dòng)特性、改善成品外觀、增加濕邊(wet edge)、改善顏料穩(wěn)定性、賦予防凍性能、控制發(fā)泡、控制起皮(skinning)等。其他類型的添加劑包括催化劑、增稠劑、穩(wěn)定劑、乳化劑、組織形成劑、附著力促進(jìn)劑、紫外線穩(wěn)定劑、平化劑(消光劑(de-glossing agent))、對(duì)抗細(xì)菌生長(zhǎng)的生物殺傷劑等。

一旦被施加到所關(guān)注的基板，被涂覆的涂層可提供微波和太赫茲頻率的高吸收。

可選地，可提供包含石墨烯鱗片的織物或布以在需要時(shí)為要隱形的物體提供顯露(uncloaking)能力。而且，織物或布可與多個(gè)物體共享。術(shù)語(yǔ)織物或布通常指這樣的柔性的人工材料：其由天然的或人造的纖維的網(wǎng)絡(luò)制成。纖維可被浸漬和/或編織有石墨烯鱗片，所述石墨烯鱗片可包括粘合劑以有助于將石墨烯鱗片粘合到織物?？椢锉旧聿恢荚诒幌拗茷槿魏翁囟愋?。石墨烯鱗片可通過機(jī)械剝離法作為石墨體而被制備，以產(chǎn)生微米尺寸的石墨烯鱗片，如在公開號(hào)為2010/0147188的美國(guó)專利中所描述的，通過引用將其整個(gè)內(nèi)容合并到本文中。其也可從Parma Ohio的GrafTech INternaional Ltd作為獲得。

如上描述的包括石墨烯層和/或石墨烯鱗片的基板提供了減小的太赫茲微波和紅外截面。結(jié)果，基板本身將被有效地隱藏，這是因?yàn)槭雍?或石墨烯鱗片是低透射和低反射性材料，其程度通常取決于石墨烯的厚度和密度。這樣的優(yōu)化完全在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的技能內(nèi)。

將理解，當(dāng)一個(gè)元件或?qū)颖环Q為在另一個(gè)元件或?qū)印吧稀?、“被插入”、“被設(shè)置”或“在其間”時(shí)，其可以是直接位于居間的元件或?qū)由稀⒈徊迦?、設(shè)置或位于另一元件或?qū)由希蚩纱嬖诰娱g的元件或?qū)印?/p>

將理解，盡管可在此使用術(shù)語(yǔ)第一、第二、第三等來描述各種元件、組件、區(qū)域、層和/或部分，這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)被這些術(shù)語(yǔ)限制。這些術(shù)語(yǔ)僅被用來將一個(gè)元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一個(gè)元件、組件、區(qū)域、層或部分進(jìn)行區(qū)分。因此以下討論的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可被稱為第二元件、組件、區(qū)域、層或部分，而不脫離本發(fā)明的教義。

在此使用的術(shù)語(yǔ)是僅僅用于描述具體實(shí)施例的目的，而不旨在限制本發(fā)明。在此使用的單數(shù)形式的“一”、“一個(gè)”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中明確地另外指出。還應(yīng)理解，在用于該說明書中時(shí)，術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包含”規(guī)定所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在或附加。

在下面的權(quán)利要求中的所有裝置或步驟加功能要素的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)作和等價(jià)物旨在包括用于與具體地要求保護(hù)的其他要求保護(hù)的要素組合地執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或動(dòng)作。本發(fā)明的說明書是為了示例和說明的目的而給出的，而不旨在以所公開的形式窮舉或限制本發(fā)明。只要不脫離本發(fā)明的范圍和精神，多種修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。為了最好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，且為了使本領(lǐng)域的其他普通技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的具有適于所預(yù)期的特定用途的各種修改的各種實(shí)施例，選擇和描述了實(shí)施例。