CN106879237A - 用于微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射吸收的基于石墨烯的结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射吸收的基于石墨烯的结构和方法。用于将物体隐形于微波和太赫兹频率的电磁辐射的结构和方法包括将多个石墨烯片设置在物体周围。透明介电材料的中间层可被设置在石墨烯片之间以优化性能。在其他实施例中，石墨烯可被配制到涂料配方或织物中，并被施加到物体。所述结构和方法吸收微波和太赫兹频率的电磁辐射的至少一部分。

Description

用于微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射吸收的基于石墨烯的 结构和方法

本申请是申请日为2013年6月13日、申请号为201310233517.0、发明名称为“用于微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射吸收的基于石墨烯的结构和方法”的申请的分案申请。

技术领域

本公开一般涉及使用石墨烯吸收宽带电磁波的结构和方法，更具体地，涉及被配置为吸收从电磁波发生源发射的微波和太赫兹频率的宽带电磁波的石墨烯片(graphenesheet)的方法和结构。

背景技术

当前正在调查研究用于众多商业和军事应用的在微波和太赫兹频谱范围的宽带吸收材料的发展。例如，太赫兹雷达系统能够探测亚毫米级的目标的详细结构，同时能够根据吸收的频谱依赖性区分材料。对于军事应用，可基于频谱响应，通过名录(catalogue)或薄叶(thin foliage)以及从背景辨别出的目标来侦测武器或人员。完全吸收所关注的(例如太赫兹频率的)入射电磁波以使得不发生透射和反射的宽带吸收材料的使用可被用来有效地隐藏目标。但是，用于该目的的大部分已知材料系统依赖于吸收频谱的谐振峰值，且因此仍然缺少宽带解决方案。

发明内容

根据实施例，一种用于吸收微波和太赫兹频率的电磁辐射的结构包括多个石墨烯片，所述多个石墨烯片位于将隐形(cloak)于电磁辐射的物体上或其周围。在一些情况下，该隐形结构还可包括位于相邻的石墨烯片之间的透明介电层。

在另一实施例中，一种用于吸收微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射的结构包括多个石墨烯片，所述多个石墨烯片被配置为位于物体上或其周围以吸收微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射。

在另一实施例中，用于吸收微波和太赫兹频率的电磁辐射的可移动(removable)结构包括含有石墨烯的织物，其中所述织物被配置为可移动地裹在物体周围，其中石墨烯具有能有效吸收微波和/或太赫兹频率的电磁辐射的至少一部分的量。

通过本发明的技术还实现了另外的特征和优点。本发明的其他实施例和方面在此被详细描述并被认为是所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解本发明的优点和特征，参考说明和附图。

附图说明

在说明书的结尾处的权利要求书中具体地指出并明确地要求保护被认为是本发明的主题。通过以下结合附图进行的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得明显，在附图中：

图1示例出远红外和太赫兹波段中单个石墨烯层的透射频谱。

图2示例出根据实施例用于吸收微波和太赫兹频谱的电磁辐射的电磁宽带吸收结构，该结构包括多个石墨烯片。

图3示例出根据实施例用于吸收微波和太赫兹频谱的电磁辐射的电磁宽带吸收结构，该结构包括通过透明介电层分隔的多个石墨烯片。

图4示例出根据实施例用于吸收微波和太赫兹频谱的电磁辐射的电磁宽带吸收结构，该结构包括含有石墨烯鳞片(graphene flake)的涂层。

具体实施方式

本文中公开了用于吸收处于微波和太赫兹频率的从电磁辐射源发射的电磁辐射的至少一部分的电磁宽带吸收结构和方法。通过提供对微波和太赫兹频率的电磁波的宽带吸收，由于宽带电磁波被吸收且没有发生透射或反射，因此可以在这些频率下有效地隐藏物体。本文中使用的术语“微波”一般而言是指1毫米到1米的波长范围(即，300MHz到300GHz)，而术语“太赫兹”一般而言是指在1000到100微米之间的波长范围内(即，300GHz到3THz)的亚毫米波能。

电磁宽带吸收结构通常由多个石墨烯片形成，其中电磁宽带吸收结构能有效地吸收微波和太赫兹频率的电磁辐射的至少一部分。石墨烯片的数量通常取决于所预期的应用和具体应用所需的最小反射。典型的石墨烯“层”可包括单个石墨烯片或多个石墨烯片，例如，在一些实施例中是1片到1000片，在其他实施例中是约10片到100片。在大部分实施例中，所产生的由石墨烯片组成的石墨烯层可具有约1纳米到约100纳米的厚度，而在其他实施例中具有约10nm到约80nm的厚度。

石墨烯是一种以平面六角形结构排列的二维的碳原子同素异形体。其以有用的电子特性为特征，这些电子特性包括两极性、高纯度、高迁移率、高临界电流密度。已报导了在室温下高达200,000cm²/Vs的电子迁移率值。

在结构上，石墨烯具有由sp2杂化而形成的杂化轨道。在sp2杂化中，2s轨道和三个2p轨道中的两个混合而形成三个sp2轨道。剩下的一个p轨道在碳原子之间形成π键。与苯的结构相似，石墨烯的结构具有p轨道的共轭环，该共轭环呈现出比仅通过共轭的稳定性所期望的更强的稳定性，即，石墨烯结构是芳族结构。与诸如金刚石、无定形碳、碳纳米泡沫(carbon nanofoam)、或富勒烯的其它碳的同素异形体不同，石墨烯不是碳的同素异形体，这是因为石墨烯的厚度是一个原子碳层，即，一个石墨烯片不形成三维晶体。

石墨烯具有不寻常的带结构，其中锥形电子和空穴袋仅在动量空间中的布里渊区(Brillouin zone)的K点处相遇。电荷载流子(即电子或空穴)的能量具有对载流子的动量的线性相关性。结果，载流子如同具有零有效质量的相对的狄拉克-费米子(Dirac-Fermions)，并以ceJf￡l06米/秒的有效光速移动。其相对量子力学行为由狄拉克方程支配。结果，石墨烯片具有在4K下最高60,000cm2/V-sec的大载流子迁移率。在300K下，载流子迁移率为约15,000cm2/V-sec。而且，在石墨烯片中已观察到量子霍尔效应。

K(K’)点附近的石墨烯的线性色散导致非常宽带波长范围的垂直入射光的恒定的带间吸收(从价带到导带，约2.3％)。更有趣的是，在微波和太赫兹频率范围，带间吸收占优势，并且，依赖于石墨烯中的载流子浓度，单个层在300微米的光波长下可吸收多达30％，这可从图1中提供的透射频谱得到证明。结果，将石墨烯用于微波和太赫兹频率吸收具有众多优点，例如，其为超薄的且相对于其他材料是有效的吸收层。而且，由于石墨烯是由以蜂窝晶格堆积的碳原子形成的一个原子厚的单层片，其中每个碳原子通过sp2键合而被键合到三个邻近的碳原子，因此，提供有效吸收所需的整体厚度是最小的，为若干纳米的量级。因此，石墨烯片的使用为要被屏蔽的物体提供最小的附加重量，具有宽带吸收能力，并提供比现有技术的结构更大的通用性。而且，石墨烯因为其高机械强度和高稳定性而被广泛认可，这些特性对于大多数应用来说是所需的特性。

石墨烯片可通过本领域中已知的任何合适的工艺制成，这些工艺包括例如对体石墨的机械剥离、化学沉积、生长等。目前，在形成石墨烯层的常规方法当中，通过化学气相沉积形成石墨烯层的方法是常用的，这是因为可以以相对低的成本制造大面积的石墨烯层。

仅通过举例，在金属(即，箔)基板上的化学气相沉积(CVD)可被用来形成石墨烯片。为了通过化学气相沉积形成石墨烯层，前体(precursor)被选择为使得该前体的催化分解形成石墨烯层。前体可以是气体、液体、或固体的碳氢化合物，例如甲烷、乙烯、苯、甲苯等。前体也可包括诸如氢气的其他材料并与所述其他材料混合。

CVD工艺可在大气压力下实施，或者CVD设备的真空室可被排气而低于大气压。在一个实施例中，真空室在100mTorr和500mTorr之间被施压。CVD设备也可被配置为加热将用石墨烯涂覆的基板。例如，基板可被加热到在某些前体和应用的情况下所需的约1200℃或更高。

也可使用化学剥离来形成石墨烯片。这些技术对本领域技术人员是已知的，由此不在此进行进一步的描述。

如一些应用所需的，石墨烯可形成在基板上。具体的基板不旨在被限制，且甚至可包括电磁辐射源本身。例如，结构性材料(structural material)可包括泡沫、蜂窝、玻璃纤维叠层、Kevlar纤维复合材料、聚合物材料、或其组合。合适的结构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、丙烯酸树脂(acrylics)、聚氯乙烯、聚亚苯基醚、聚苯乙烯、聚酰胺、尼龙、聚烯烃、聚(醚醚酮)、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、含氟聚合物、聚酯、缩醛、液晶聚合物、聚丙烯酸甲酯、聚苯醚、聚苯乙烯、环氧类、酚类、氯磺酸酯、聚丁二烯、氯丁橡胶、腈类、聚异戊二烯、天然橡胶、诸如苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、乙烯-丙烯、乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)、腈-丁二烯和苯乙烯-丁二烯、及其共聚物和混合物。任何前述材料可被无泡沫地使用，或者如果应用需要，可被吹制或被化学或物理地处理成开放的或闭合的基元泡沫(cell foam)。

基板的形状不旨在受限制。例如，基板可具有平面和/或曲线表面，例如可被发现为箔状、盘状、管状等。

一旦形成石墨烯片，就可以使用常规的剥离技术将片沉积到所需的物体上，或可将片直接沉积到感关注的基板。通常，片被沉积为一个在另一个的顶上以形成膜。由此，仅通过举例的方式，石墨烯膜可包括多个石墨烯片的叠层(也被称为层)。术语“基板”通常被用来指想要在其上沉积石墨烯膜的任何合适的基板，且使得该特定基板有效地从微波和太赫兹频率的电磁辐射隐藏。

在图2中示出的一个实施例中，用于吸收微波和太赫兹频率的电磁辐射的电磁宽带吸收结构10包括被直接传递(transfer)到所关注的基板12的多个石墨烯片14¹、14²、……14ⁿ。所使用的石墨烯片的数量通常根据期望的应用和特定应用所需的最小反射水平。

在图3中示出的另一个实施例中，设置在物体22上或周围的、用于吸收微波和太赫兹频率的电磁辐射的电磁宽带吸收结构20包括一个或多个石墨烯片24¹、24²、…24ⁿ，其中在石墨烯片之间具有透明中间介电层26。

在一个实施例中，合适的介电材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅、多孔二氧化硅、聚酰亚胺、聚降冰片烯、苯并环丁烯、甲基倍半硅氧烷(methylsilsequioxanes)、掺杂的玻璃层，例如磷硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃等。在其他实施例中，介电层可以是低k介电层，其中低k通常是指具有小于二氧化硅的介电常数的材料。示例性低k介电材料包括但不限于来自Dow Chemical的来自Novellus的来自Applied Materials的Black且可使用旋涂的电介质。通常可被描述为SICOH电解质。根据特定的介电材料，介电层可通过化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、大气沉积以及旋涂技术而形成。在一个实施例中，介电层是化学气相沉积的材料，例如二氧化硅或氮化硅，其被沉积在相邻的石墨烯层之间。通过调整中间介电层的折射率和厚度，可以针对特定应用使结构的性能最优化。

在图4中示出的另一个实施例中，用于吸收微波和太赫兹频率的电磁辐射的电磁宽带吸收结构30包括涂料配方(paint formulation)的一个或多个涂层34，所述涂料配方包括石墨烯鳞片作为施加到物体32的表面的颜料以用于隐形。石墨烯鳞片的量通常可在涂料配方中不同。但是，高浓度通常是优选的，以使涂层厚度最小化。包括诸如乳胶的粘合剂的涂料配方的其他成分可以是常规用于涂料配方的成分，只要其他成分不干扰由石墨烯鳞片中提供的吸收特性即可。例如，粘合剂可包括合成的或天然的树脂，例如醇酸、丙烯酸类树脂、乙烯基丙烯酸类树脂、乙酸乙烯酯/乙烯(VAE)、聚氨酯、聚酯、蜜胺树脂、环氧树脂或油。粘合剂可根据用于干燥或固化的机理而被分类。尽管干燥可指溶剂的蒸发或稀释剂，其通常指粘合剂的氧化交联，且区分于固化。一些涂料仅通过溶剂蒸发而形成，但大部分涂料依赖于交联处理。涂料配方也可包括各种混杂的添加剂，这些添加剂通常以较小量被添加。通过举例的方式，典型的添加剂可被包括以修改表面张力、改善流动特性、改善成品外观、增加湿边(wet edge)、改善颜料稳定性、赋予防冻性能、控制发泡、控制起皮(skinning)等。其他类型的添加剂包括催化剂、增稠剂、稳定剂、乳化剂、组织形成剂、附着力促进剂、紫外线稳定剂、平化剂(消光剂(de-glossing agent))、对抗细菌生长的生物杀伤剂等。

一旦被施加到所关注的基板，被涂覆的涂层可提供微波和太赫兹频率的高吸收。

可选地，可提供包含石墨烯鳞片的织物或布以在需要时为要隐形的物体提供显露(uncloaking)能力。而且，织物或布可与多个物体共享。术语织物或布通常指这样的柔性的人工材料：其由天然的或人造的纤维的网络制成。纤维可被浸渍和/或编织有石墨烯鳞片，所述石墨烯鳞片可包括粘合剂以有助于将石墨烯鳞片粘合到织物。织物本身不旨在被限制为任何特定类型。石墨烯鳞片可通过机械剥离法作为石墨体而被制备，以产生微米尺寸的石墨烯鳞片，如在公开号为2010/0147188的美国专利中所描述的，通过引用将其整个内容合并到本文中。其也可从Parma Ohio的GrafTech INternaional Ltd作为获得。

如上描述的包括石墨烯层和/或石墨烯鳞片的基板提供了减小的太赫兹微波和红外截面。结果，基板本身将被有效地隐藏，这是因为石墨烯层和/或石墨烯鳞片是低透射和低反射性材料，其程度通常取决于石墨烯的厚度和密度。这样的优化完全在本领域普通技术人员的技能内。

将理解，当一个元件或层被称为在另一个元件或层“上”、“被插入”、“被设置”或“在其间”时，其可以是直接位于居间的元件或层上、被插入、设置或位于另一元件或层上，或可存在居间的元件或层。

将理解，尽管可在此使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语仅被用来将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分进行区分。因此以下讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可被称为第二元件、组件、区域、层或部分，而不脱离本发明的教义。

在此使用的术语是仅仅用于描述具体实施例的目的，而不旨在限制本发明。在此使用的单数形式的“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中明确地另外指出。还应理解，在用于该说明书中时，术语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。

在下面的权利要求中的所有装置或步骤加功能要素的对应结构、材料、动作和等价物旨在包括用于与具体地要求保护的其他要求保护的要素组合地执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的说明书是为了示例和说明的目的而给出的，而不旨在以所公开的形式穷举或限制本发明。只要不脱离本发明的范围和精神，多种修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。为了最好地解释本发明的原理和实际应用，且为了使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的具有适于所预期的特定用途的各种修改的各种实施例，选择和描述了实施例。

Claims (23)

1.一种用于吸收微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射的结构，该结构包括：

一个或多个涂层，其包括被设置在物体上的石墨烯鳞片，其中所述涂层中的所述石墨烯鳞片具有能有效阻止微波和太赫兹频率的所述宽带电磁辐射的至少一部分的反射的量。

2.如权利要求1所述的结构，其中所述涂层由涂料配方形成。

3.如权利要求1所述的结构，其中所述涂料配方包括粘合剂。

4.如权利要求1所述的结构，其中所述涂层中的所述石墨烯鳞片具有能有效阻止微波和太赫兹频率的所述宽带电磁辐射的至少一部分的透射的量。

5.一种用于吸收微波和太赫兹频率的电磁辐射的可移动结构，包括：

包含石墨烯的织物，其中所述织物被配置为可移动地裹在物体周围，其中所述石墨烯具有能有效吸收微波和/或太赫兹频率的电磁辐射的至少一部分的量。

6.如权利要求5所述的可移动结构，其中所述织物包括天然的纤维。

7.如权利要求5所述的可移动结构，其中所述织物包括合成的纤维。

8.如权利要求5所述的可移动结构，其中所述物体包括曲线表面。

9.如权利要求5所述的可移动结构，其中所述石墨烯包括石墨烯鳞片。

10.如权利要求5所述的可移动结构，其中所述石墨烯具有能有效阻止微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射的透射的量。

11.如权利要求5所述的可移动结构，其中所述石墨烯具有能有效阻止微波和太赫兹频率的宽带电磁辐射的反射的量。

12.一种通过吸收微波和太赫兹频率的电磁辐射而使物体隐形的方法，包括：

在要被隐形于所述电磁辐射的物体上或周围设置多个石墨烯片。

13.如权利要求12所述的方法，其中设置所述多个石墨烯片包括将第一石墨烯片直接传递到所述物体；以及将至少一个另外的石墨烯片传递到所述第一石墨烯片；其中重复该处理，直到获得所需的厚度和所需的最小反射。

14.如权利要求13所述的方法，还包括将透明介电层传递到所述第一石墨烯片和所述至少一个另外的石墨烯片之间。

15.如权利要求13所述的方法，还包括调整所述介电层的折射率、厚度、或者折射率和厚度三者中选定的一者。

16.如权权利要求12所述的方法，其中所述第一石墨烯片和所述至少一个另外的石墨烯片被配置为织物。

17.如权利要求16所述的方法，还包括移去含有石墨烯的所述织物并显露所述物体。

18.如权利要求12所述的方法，其中所述物体包括曲线表面。

19.如权利要求12所述的方法，其中所述一个或多个石墨烯片通过化学气相沉积形成。

20.如权利要求12所述的方法，其中在要被隐形的所述物体上或周围设置所述多个石墨烯片吸收微波和/或太赫兹频率的至少一部分。

21.一种通过吸收微波和太赫兹频率的电磁辐射而使物体隐形的方法，包括：

向要被隐形于所述电磁辐射的所述物体施加含有石墨烯鳞片的涂料配方；

对所述含有石墨烯鳞片的涂料配方进行干燥；以及

再次施加所述含有石墨烯鳞片的涂料配方，直到获得所需的厚度和所需的最小反射。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述含有石墨烯的涂料配方包括乳胶粘合剂。

23.如权利要求21的方法，其中将所述含有石墨烯鳞片的涂料配方施加在要被隐形的所述物体上或周围吸收微波和/或太赫兹频率的至少一部分。