一种可见光透明且性能可调的吸波超材料

技术领域

本发明涉及吸波超导材料技术领域，尤其涉及一种可见光透明且性能可调的吸波超材料。

背景技术

信息交互窗口，如综合显示控制系统显示屏、光电任务载荷窗口、装备观察窗等，在工作过程中要具有优异光学性能(可见光透光率≥80％)，以保证视觉的高度清晰和信息传输的畅通。而信息交互窗口是电子设备实现整体电磁防护的薄弱环节，也是强电磁脉冲辐射前门耦合的主要通道，通过光学窗口的前门耦合，强电磁脉冲可对系统内的数字电路器件、网络组件等造成电磁干扰甚至永久损伤。因此应用于光学窗口的电磁防护材料必须实现电磁波吸收和光学透明的功能集成。

目前应用于光学窗口的电磁防护薄膜主要是透明导电薄膜，已实现了透光性能和屏蔽性能的兼容，但不具备吸波性能。按照电磁防护材料设计理论，吸波材料设计需要材料的波阻抗与外界空间相匹配，以引导电磁波进入材料内部实现衰减。而透明导电层薄膜虽然具有良好的导电性能，但与电磁波作用以反射为主，无法满足材料吸波性能设计。

传统吸波材料以铁氧体、磁性金属微粉、碳材料为主，虽然吸波性能优异，但不具备可见光透明功能，且传统吸波材料大多不具备性能可调的功能。

超材料或称“人工电磁材料”，其是由周期性或非周期性人造微型结构排列而成的人工复合材料。超材料吸波体主要通过改变导电图案来实现对电磁波的控制，图案层选用导电膜层，通过调整图案形状来控制吸波频率和吸收带宽。但是超材料吸波结构一旦制作完成，其工作性能固定难以改变。比如周必成等设计和制作了一种基于超材料的光学透明和双波段吸波体，吸波体基本单元由ITO十字微结构加补丁结构、玻璃及ITO膜组成，材料在8.5-11GHz和14.5-16.5GHz频率范围内反射率小于-10dB，且可见光区及近红外区透光率达到70％以上，但不具备频率可调的功能。Zhang等通过将变容二极管嵌入超材料设计了一种偏振不敏感可调谐超材料吸波体，通过调节变容二极管上的反向偏置电压，可以连续控制设计单元的吸收频率，相对带宽为30％，但该不具备可见光透过功能。

因此，当前亟需提出一种可见光透明且性能可调的吸波超材料，以解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的是：传统吸波材料不透明、超材料吸波体吸波频段窄且固定的缺点的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种可见光透明且性能可调的吸波超材料，该可见光透明且性能可调的吸波超材料由底层、中间层和顶层组成，底层为石墨烯薄膜反射层，中间层为透明介质层，顶层为石墨烯薄膜吸波层，石墨烯薄膜吸波层和透明介质层之间的边界处设置有窄条透明银电极，石墨烯薄膜吸波层上设置有多个超材料周期微结构单元，超材料周期微结构单元在石墨烯薄膜吸波层上按单元周期长度a＝10.0mm的顺序进行排列，且基本结构为十字形，微结构臂长b＝6mm，臂宽b＝2mm。

在本方案的一个优选实施方式中，石墨烯薄膜反射层透光率≥85％，方阻为20～300Ω/sq，石墨烯薄膜反射层由2～5层单层石墨烯组成，单层石墨烯透光率≥90％，方阻≥500Ω/sq。

在本方案的一个优选实施方式中，透明介质层的材料为信息装备光学窗口使用的透明材料，厚1.2mm，透明材料包括光学玻璃、透红外玻璃、亚克力板、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸类塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯。

在本方案的一个优选实施方式中，石墨烯薄膜吸波层由2层单层石墨烯薄膜组成，单层石墨烯薄膜透光率≥90％，方阻≥500Ω/sq。

进一步地，石墨烯薄膜吸波层的两层单层石墨烯薄膜上均设置有超材料周期微结构单元，且两层的超材料周期微结构单元交错设置。

进一步地，超材料周期微结构单元采用激光刻蚀工艺制备。

在本方案的一个优选实施方式中，透明银电极宽度为1～～10mm，厚度为5μm，其外加偏置电压在0-150V之间，此时对应的石墨烯费米能级为0-0.5eV。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种可见光透明且性能可调的吸波超材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、石墨烯薄膜反射层：以乙烯、甲烷为碳源，铜箔为催化剂，通过化学气相沉积法制备单层石墨烯，然后利用聚甲基丙稀酸甲醋转移至透明介质层上，通过叠层转移实现在透明介质层上的2～5层石墨烯的复合；

S2、制备石墨烯薄膜吸波层：以乙烯、甲烷为碳源，铜箔为催化剂，通过化学气相沉积法制备单层石墨烯薄膜，然后利用聚甲基丙稀酸甲醋转移至透明介质层上，在单层石墨烯薄膜表面通过激光刻蚀工艺制备超材料周期微结构单元，刻蚀完毕后再在顶部叠加一层单层石墨烯薄膜，最后再在顶层的单层石墨烯薄膜上通过激光刻蚀工艺制备超材料周期微结构单元；

S3、采用丝网印刷或喷墨印刷工艺制作透明银电极：银电极厚度为5μm，宽度为2mm，电阻率约为1μΩ·cm，透光率为80％。

进一步地，S1中和S2中将在Cu箔上生长的石墨烯转移到透明介质层上，转移工艺为：将浓度为46g/LPMMA溶液利用匀胶机旋涂在Cu/石墨烯的石墨烯面，旋涂参数为3000r/min，1min；待风干后将Cu/石墨烯/PMMA置于浓度为1mol/L的FeCl

进一步地，S2中激光刻蚀工艺的条件为：激光功率80W，激光线宽5μm，激光移动速度500mm/s。

实施本发明，具有如下有益效果：

本可见光透明且性能可调的超材料吸波体，采用石墨烯薄膜代替传统的铁氧体、金属微粉等电磁波吸收剂，实现了吸波材料的透明化；同时，通过在吸波层石墨烯薄膜上制备双层超材料周期结构阵列，利用其对入射电磁波的宏观响应实现电磁波吸收，从而实现了可见光透过与电磁波吸收的功能融合。

本可见光透明且性能可调的超材料吸波体，在石墨烯薄膜吸波层和中间透明介质层之间的边界处设置透明银电极；利用石墨烯薄膜电导率可以通过外加偏置电压改变费米能级来调控从而调控导电率的特征，通过改变外加偏置电压可实现对吸波体吸收性能的调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为可见光透明且性能可调的吸波超材料的剖视图；

图2为吸波层中的超材料周期单元结构图；

图3为吸波层中两层的超材料周期单元结构的阵列图；

图4为可见光透明且性能可调的吸波超材料吸波体吸波性能图。

图中：石墨烯薄膜反射层1、透明介质层2、石墨烯薄膜吸波层3、单层石墨烯薄膜4、透明银电极5、单层石墨烯6、下层超材料周期微结构单元7、上层超材料周期微结构单元8。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种可见光透明且性能可调的吸波超材料，该可见光透明且性能可调的吸波超材料由底层、中间层和顶层组成，底层为石墨烯薄膜反射层1，中间层为透明介质层2，顶层为石墨烯薄膜吸波层3。请参见图1，图1为可见光透明且性能可调的吸波超材料的剖视图。

石墨烯薄膜反射层透光率≥85％，方阻为20～300Ω/sq，石墨烯薄膜反射层由2～5层单层石墨烯6组成，单层石墨烯透光率≥90％，方阻≥500Ω/sq。

透明介质层2的材料为信息装备光学窗口使用的透明材料，厚1.2mm，透明材料包括光学玻璃、透红外玻璃、亚克力板、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸类塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯。

石墨烯薄膜吸波层3由2层单层石墨烯薄膜4组成，单层石墨烯薄膜透光率≥90％，方阻≥500Ω/sq。石墨烯薄膜吸波层的两层单层石墨烯薄膜上均设置有超材料周期微结构单元，且两层的超材料周期微结构单元交错设置。超材料周期微结构单元采用激光刻蚀工艺制备，在石墨烯薄膜吸波层上按单元周期长度a＝10.0mm的顺序进行排列，且基本结构为十字形，微结构臂长b＝6mm，臂宽b＝2mm。请参见图2-3，图2为吸波层中的超材料周期单元结构图；图3为吸波层中两层的超材料周期单元结构的阵列图；

石墨烯薄膜吸波层3和透明介质层2之间的边界处设置有窄条透明银电极5。透明银电极5宽度为5mm，厚度为5μm，其外加偏置电压在0-150V之间，此时对应的石墨烯费米能级为0-0.5eV。

下面以具体实施例来详细描述本发明的技术方案：

一种可见光透明且性能可调的吸波超材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、石墨烯薄膜反射层：以乙烯、甲烷为碳源，铜箔为催化剂，通过化学气相沉积法制备单层石墨烯，然后利用聚甲基丙稀酸甲醋转移至透明介质层上，通过叠层转移实现在透明介质层上的2层石墨烯的复合；

S2、制备石墨烯薄膜吸波层：以乙烯、甲烷为碳源，铜箔为催化剂，通过化学气相沉积法制备单层石墨烯薄膜，然后利用聚甲基丙稀酸甲醋转移至透明介质层上，在单层石墨烯薄膜表面通过激光刻蚀工艺制备超材料周期微结构单元，刻蚀完毕后再在顶部叠加一层单层石墨烯薄膜，最后再在顶层的单层石墨烯薄膜上通过激光刻蚀工艺制备超材料周期微结构单元；两层的激光刻蚀工艺的条件为：激光功率80W，激光线宽5μm，激光移动速度500mm/s。

S3、采用丝网印刷或喷墨印刷工艺制作透明银电极：银电极厚度为5μm，宽度为2mm，电阻率约为1μΩ·cm，透光率为80％。

将在Cu箔上生长的石墨烯转移到透明介质层上的转移工艺为：将浓度为46g/LPMMA溶液利用匀胶机旋涂在Cu/石墨烯的石墨烯面，旋涂参数为3000r/min，1min；待风干后将Cu/石墨烯/PMMA置于浓度为1mol/L的FeCl

吸波层中的超材料结构、透明介质层以及具有高导电性的反射层将共同构成电磁波谐振损耗结构，并在超材料周期结构中激励出感应电流，感应电流产生热量从而将入射的电磁波耗散掉，实现电磁波吸收的目的。

通过上述方法得到的基于石墨烯光电性能的可见光透明且性能可调的吸波超材料体，透光率为90％(380nm～1500nm波段，涵盖可见光及近红外)，工作频段为X波段(8-12GHz,相对带宽为25％)，且外加偏置电压控制在0-150V之间变化时，吸波体吸收率从45％至96％可调控。请参见图4，图4为可见光透明且性能可调的吸波超材料吸波体吸波性能图。

本发明的技术方案利用石墨烯薄膜和透明介质层代替传统超材料中的金属和介质层，使超材料吸波体具有可见光透明和吸波频段可调的功能，从而解决了传统吸波材料不透明、超材料吸波体吸波频段窄且固定的缺点。

本发明的原理为：石墨烯是由sp

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。