CN105932426A - 一种基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器 - Google Patents

一种基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器 Download PDF

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陆卫兵
张金
王健
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    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems

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Abstract

本发明公开了一种基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，属于微波器件技术领域，包括叠合在一起的四层结构：电解液石墨烯层、高阻抗表面层、介质层和金属底板；在金属底板上设置介质层，在介质层上设置高阻抗表面层，在高阻抗表面层上设置电解液石墨烯层。本发明的基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器明将电解液调控石墨烯技术和高阻抗表面结合在一起设计超吸波器，不仅结构简单、尺寸小便于集成，而且覆盖X波段的宽频吸波，具备90％以上的高吸收率，对电磁波入射角度和极化角度不敏感，适用于通信、家用消费电子和军事隐身技术等领域，具备很好的实用性。

Description

一种基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，具体涉及一种基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器。
背景技术
现有的吸波器按照吸收带宽可以分为窄带吸波器、多频吸波器和宽频吸波器三种，其在结构上一般采用金属-介质-金属三层结构。窄带吸波器对单频率电磁波具有很强的吸收，但由于其吸收的带宽极窄，一般只针对某一特定的频率，故其在应用上具有很大的限制性，不能在器件上得以应用。多频吸波器对某几个特定频率的电磁波具有较高的吸收，但存在较多缺陷。一般的多频吸波器其特定吸收的电磁波频率分散，不能达到连续吸收且对几个频率的吸收会相互妥协，不能兼顾，致使其吸收减弱。宽频吸波器一般采用多层设计，将几个不同的结构叠加耦合到一起，但存在的问题是结构复杂，制备困难。现有的吸波器还普遍存在吸收角度窄，且对入射电磁波的极化方向敏感，大大限制了现有吸波器的应用。
对特定频率的电磁波，现有吸波器的吸收带宽窄，不能在整个光谱范围内达到较高吸收；吸收角较小，不能在较大的角度范围内达到较高吸收；现有吸波器对入射的电磁波的极化方向敏感，不能达到很好的吸收。
自从2004年发现石墨烯以来，引起了人们强烈的研究兴趣。G.W.Hanson教授提出，石墨烯的电导率可以由Kubo公式表示为(“Duadic Green’s functions and guided surface waves for a surface conductivity model of graphene，”J.Appl.Phys.103(6)，064302，2008)。
其中-e为电子电量，为普朗克常数，kB为波尔兹曼常数，fd(ε)＝1/(1+exp[(ε-μc)/(kBT)])是费米狄拉克分布，ω为角频率，μc为化学势，Γ表示散射率，T表示温度。由上述公式可知，石墨烯的电导率是随着化学势的变化而变化的，不同的电导率又对应着不同的介电常数，它们的对应关系为：Re(εg,eq)＝-σg,i/ωΔ+ε0≈-σg，石墨烯的损耗为|Im(εg,eq)/Re(εg,eq)|。所以，我 们可以通过改变石墨烯的化学势来得到我们想要的介电常数，从而可以得到不同的折射率。因此，石墨烯是一种可以用来制作电磁波吸收器的理想材料。石墨烯化学势与门电压的关系为：
2015年OsmanBalci教授提出用附加电极的电解液在微博波段来调控石墨电特性。我们以此理论结合高阻抗表面技术来设计实现电磁波吸收器(“Graphene-enabled electrically switchable radar-absorbing surfaces，Nature Commun，6，6628，2015”)。
常规金属面的表面阻抗Ζs＝0，为将其改性成一定频带范围内的高阻抗表面(Ζs＝∞)，可在金属表面处加载一层厚度极薄的无损耗介质夹层，并采用金属蚀刻技术将金属网格单元阵列周期的布置在上表面。根据传输线理论，当加载的网格单元周期。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，不仅结构简单，而且提高了吸收率。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，包括叠合在一起的四层结构：电解液石墨烯层、高阻抗表面层、介质层和金属底板；在所述的金属底板上设置介质层，在介质层上设置高阻抗表面层，在高阻抗表面层上设置电解液石墨烯层。
所述的电解液石墨烯层包括石墨烯层和电解液层，在电解液层上下表面分别设置石墨烯层。
两层所述的石墨烯层分别铺在聚氯乙烯材料的薄膜衬底上后再在中间夹着电解液层。
所述的电解液层是由甲基苯二酸二乙酯、三氟甲磺酰亚胺和Tf2N离子液混合而成。
所述的高阻抗表面层为铜薄片蚀刻成Jerusalem十字型周期结构。
所述的电解液石墨烯层厚度为0.1mm。
所述的介质层是泡沫苯乙烯材料，厚度5.2mm。
所述的金属底板，材质为铜，厚度为0.1mm。
有益效果：与现有技术相比，本发明的基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器明将电解液调控石墨烯技术和高阻抗表面结合在一起设计超吸波器，不仅结构简单、尺寸小便于集成，而且覆盖X波段的宽频吸波，具备90％以上的高吸收率，对电磁波入射角度和极化角度不敏感，适用于通信、家用消费电子和军事隐身技术等领域，具备很好的实用性。
附图说明
图1是吸波器侧面结构示意图；
图2是吸波器的高阻抗表面的俯视结构示意图；
图3是利用电解液调控石墨烯电导率装置结构示意图；
图4是基于石墨烯的吸波器的原理的等效电路示意图；
图5是吸收率的频率分布图；
图6是电磁波多入射角度照射下本吸波器的吸波效果；
图7是吸波器的吸收率频率分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
如图1所示，一种基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，包括叠合在一起的四层结构：电解液石墨烯层1、高阻抗表面层2(高阻抗表面是一个专有名词，阻抗接近无穷大)介质层3和金属底板4；在金属底板4上设置介质层3，在介质层3上设置高阻抗表面层2，在高阻抗表面层2上设置电解液石墨烯层1。
如图3所示，电解液石墨烯层1包括石墨烯层11和电解液层12，在电解液层12上下表面分别设置石墨烯层11，两层石墨烯层11分别铺在聚氯乙烯材料的薄膜衬底上后在中间夹着电解液层12，电解液层12是由甲基苯二酸二乙酯、三氟甲磺酰亚胺和Tf2N(1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐)离子液混合而成。电解液石墨烯层1厚度为0.1mm。图3中V是指加在两层石墨烯上的电极的电压，范围是-5伏特到+5伏特。电解液层12为爱为科研品牌的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐；CAS:174501-64-5；≥99％；[BMIM]PF6。
通过金属蚀刻技术将铜薄片蚀刻成Jerusalem十字型周期结构(jerusalem十字型指的是图2那种形状，翻译叫耶路撒冷十字型)来形成金属高阻抗表面，即 为高阻抗表面层2，厚度为十几微米，可以忽略不计。
介质层3是泡沫苯乙烯材料，厚度5.2mm。金属底板4，材质为铜，厚度为0.1mm
如图2所示，金属铜薄片被蚀刻为对称的Jerusalem十字型结构，一个周期单元的尺寸为6mm×6mm。具体参数为：Jerusalem十字型结构的每个十字的长宽均为2mm，十字四周端部的长度为0.2mm，相邻两单元间距为0.1mm。
图4是基于石墨烯的吸波器的原理的等效电路示意图。
如图5所示，吸波频段近似在X波段9.7GHz-10.7GHz，中心频率在10.28GHz左右。中心频段附近吸波率接近99％。可以看出在石墨烯表面阻抗调节在1200欧时，在吸波频段内可以达到很好的吸波效果。
图6是本发明电磁波多入射角度照射下本吸波器的吸波效果，图中的五条曲线是入射角度分别为0°、15°、30°、45°和50°的条件下，所设计的吸波器的吸收率频率分布图。图6可以得出，该吸波装置在面对有有极化角或者斜入射的电磁波时，依然具有良好的吸波效果，中心频率附近的吸波效率也可以达到90％以上。
图7是分别夹电解液的上下两层石墨烯层上加载不同的偏置电极时，获得石墨烯层不同的表面阻抗的情况下，吸波器的吸收率频率分布图。图中的四条曲线由上到下分别是表面阻抗为1200Ω、200Ω、70Ω、20Ω情况下的吸收率分布曲线。图7表现出该吸波器的可调控性，通过调节所加电极使石墨烯的表面阻抗变化，从而获得不同的吸波效果；同一频段内，例如9.7GHz-10.5GHz内，调节表面阻抗到1200Ω时可以实现90％以上的吸波率；再调节到几十欧姆时，吸波率变为0.2-0.5左右，从而达到动态切换吸波透波的功能。

Claims (8)

1.一种基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，其特征在于：包括叠合在一起的四层结构：电解液石墨烯层(1)、高阻抗表面层(2)、介质层(3)和金属底板(4)；在所述的金属底板(4)上设置介质层(3)，在介质层(3)上设置高阻抗表面层(2)，在高阻抗表面层(2)上设置电解液石墨烯层(1)。
2.根据权利要求1所述的基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，其特征在于：所述的电解液石墨烯层(1)包括石墨烯层(11)和电解液层(12)，在电解液层(22)上下表面分别设置石墨烯层(11)。
3.根据权利要求2所述的基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，其特征在于：两层所述的石墨烯层(11)分别铺在聚氯乙烯材料的薄膜衬底上后再在中间夹着电解液层(12)。
4.根据权利要求3所述的基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，其特征在于：所述的电解液层(12)是由甲基苯二酸二乙酯、三氟甲磺酰亚胺和Tf2N离子液混合而成。
5.根据权利要求1所述的基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，其特征在于：所述的高阻抗表面层(2)为铜薄片蚀刻成Jerusalem十字型周期结构。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，其特征在于：所述的电解液石墨烯层(1)厚度为0.1mm。
7.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，其特征在于：所述的介质层(3)是泡沫苯乙烯材料，厚度5.2mm。
8.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于电解液调控石墨烯的超薄电磁波吸收器，其特征在于：所述的金属底板(4)，材质为铜，厚度为0.1mm。
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