基于石墨烯的微波频段吸波器实验研究

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近年来石墨烯材料被国内外学者广泛关注,这种新型二维材料不仅拥有优越的电学、光学、力学等性质,而且具有可调控的特性,因此其在电子、材料、化学、生物医学等领域存在广阔的应用场景。在国防军事领域,随着新型雷达探测技术逐步应用到武器系统,高性能电磁波吸收器具有特殊的战略地位。基于石墨烯材料的吸波器可以满足轻、薄、宽、强的指标要求,而且还可以拓展柔性、透明、可调控等特性,因此设计及加工基于石墨烯材料的吸波器成为发展高性能吸波材料的重要方向。然而,现阶段基于石墨烯的吸波器的研究主要集中于太赫兹波段,而在目前雷达常用的微波频段,石墨烯材料存在着制备尺寸有限、图案加工困难、调控效率低、方阻值较高等问题,无法满足设计与加工微波吸波器的实际需求。针对这些问题,本文开展了以下研究:首先,本文系统总结了目前制备转移加工石墨烯的方法。重点介绍了使用化学气相沉积法生长单层石墨烯和利用热压法制备大面积柔性石墨烯薄膜的过程。随后介绍了石墨烯薄膜电磁参数的测量方法。最后提出了采用二次衬底刻蚀的方法来加工分离型周期图案的石墨烯薄膜。这些工作为石墨烯在微波频段的实用化奠定了一定的基础。其次,详细介绍了一种新型高效的石墨烯动态调控技术——外加电压调控石墨烯离子液三明治结构,并给出了石墨烯电磁参数调控范围的测试结果。随后基于这种调控方法,结合石墨烯三明治结构与频率选择表面设计了一款超薄动态可调的微波吸收器,其具有极化方式不敏感、动态切换吸收/反射特性的功能。然后运用等效电路理论、表面电流分布等分析方法阐述了该吸波器的动态吸波机理。最后加工制备样品进行实际性能测试,验证了设计的正确性。最后,全面的分析了硝酸对柔性单层石墨烯薄膜的掺杂效应。通过实验测试证实硝酸掺杂可以有效降低单层石墨烯薄膜的方阻值。基于这种方法,设计了一款基于硝酸掺杂透明石墨烯薄膜的柔性超宽带吸波器,对5GHz-16GHz频段内的电磁波实现90%以上的吸收率,相对吸波带宽达到103%,相对厚度仅为最低吸收频率对应波长的0.07倍。此外,这款吸波器具有良好的透光率与柔韧性,可共形于待吸波物体的弯曲表面。最后对样品进行加工与测试后证明该吸波器在共形弯曲表面的情况下仍然具有宽频带的吸波效果。
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