南开大学黄毅教授团队开发新型超材料 实现超宽频电磁波吸收
南开大学黄毅教授团队开发新型超材料 实现超宽频电磁波吸收
随着5G通信、远程雷达等技术的快速发展，电磁污染问题日益严重。南开大学黄毅教授和马文乐助理研究员团队开发了一种新型磁-介电协同梯度超材料，实现了从1 GHz到2 THz的超宽频电磁波吸收，解决了传统材料在低频段吸收性能差的问题。
随着多波段、宽带智能通信系统、电子探测设备、合成孔径雷达的广泛、快速发展，空间电磁污染引发了生物不适、电磁干扰、信息泄露等诸多严重的负面问题。更重要的是，L(1-2 GHz)和S(2-4 GHz)频段的低频波段因其高发射功率也在第五代(5G)通信、远程地空预警雷达、气象探测等领域得到广泛应用。因此，为应对日益复杂的电磁环境，探索能够同时覆盖低、中、高频的高性能宽带电磁波吸收材料具有重要意义。从根本上说，因为更高的损耗能力意味着更差的阻抗匹配，实现宽带电磁波吸收的核心是解决多频段的阻抗匹配和高强度电磁波耗散能力的矛盾。
近日，南开大学黄毅教授和马文乐助理研究员针对宽频电磁波吸收材料低频吸收性能差的难题，首次采用新颖的强磁-介电协同梯度的设计策略，构建了由取向磁性薄膜和周期性石墨烯基气凝胶组成的电磁波吸收超材料，展现出优异超宽频多频谱兼容的电磁波吸收性能，首次实现有效吸收频段覆盖1-40,50-110 GHz和0.1-2.0THz，此外该超材料在不同入射角度下都可以保持优异的多频谱隐身性能。这项工作为即将到来的智能时代隐身技术的发展提供了巨大的推动力。相关研究在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表，题为“Strong Magnetic-Dielectric Synergistic Gradient Metamaterials for Boosting Superior Multispectral Ultra-Broadband Absorption with Low-Frequency Compatibility”。
研究要点1：材料设计与合成
图1描绘了磁-介电协同超材料的设计及合成路线。首先，通过定向冷冻、冷冻干燥、退火还原制备石墨烯/碳纳米管/纤维素复合气凝胶。本研究采用剪切诱导定向技术制备具有水平取向的羰基铁磁性薄膜，与外部磁场诱导定向不同，剪切诱导定向技术不需要任何其他复杂的设备就可以轻松有效地实现。因此，该方法适合制备大尺寸定向FCI薄膜，具有实际应用前景。
图1 石墨烯周期性单元和定向磁膜组成的磁电协同超材料的制备原理图
研究要点2：性能优化与测试
作者通过电磁仿真软件对强磁-介电协同梯度超材料的宽频电磁波吸收性能进行优化，对比单一的磁性羰基铁薄膜和石墨烯基气凝胶材料，本研究中提出的新型磁-介电协同梯度超材料展现出优异的宽频电磁波吸收性质，同时可以有效改善吸波材料在低频频段吸收差的难点。
依据电磁仿真优化的结构参数，研究人员制备了大尺寸强磁-介电协同梯度超材料，电磁波吸收性能的实测结果与电磁仿真结果匹配度非常高，该超材料的有效吸收带宽可以覆盖所有的测试频段，包括1-40、50-110 GHz和0.1-2.0 THz，是目前公开报道的所有电磁波吸收材料中最优异的。同时，该超材料对不同入射角度的电磁波同样可以保持出色的宽频电磁波隐身性能。
研究要点3：吸收机理分析
基于电磁仿真结果，研究团队提出了强磁-介电协同梯度超材料的宽频电磁波吸收机理（图4），其吸收机理可归因于最佳的阻抗匹配特性和强的磁-介电协同损耗。具体的讲，超材料结构和取向石墨烯基气凝胶的设计可以保证电磁波顺利的进入材料内部进行损耗，最大程度优化不同电磁波波段的阻抗匹配特征。对于电磁波损耗，1宏观方面相邻的石墨烯基气凝胶会产生电磁散射和衍射增强对电磁波的结构损耗；2微观层面具有强介电性质的气凝胶利用三维多孔结构损耗、导电损耗、界面极化及偶极子极化等损耗机制对高频电磁波进行耗散，而入射到底部的低频电磁波可以由取向磁膜产生的磁损耗（包括磁耦合、磁共振和导电损耗等）进行耗散，从而实现可覆盖低频的超宽频电磁波吸收性能。
图 4. 电磁波吸收机理分析
作者展示了一种由周期性石墨烯气凝胶单元和柔性定向羰基铁薄膜组成的新型磁-介电协同超材料。采用定向冷冻干燥法制备了垂直定向结构的石墨烯气凝胶，采用刮涂技术制备了水平定向的大规模定向羰基铁薄膜。通过仿真和实验验证了磁-介电协同超材料的宽带吸收性能取决于石墨烯气凝胶单元的几何形状和磁膜的磁损失容量。与以往的宽带电磁波吸收材料相比，新型磁-介电协同超材料提供了增强的多光谱超宽带电磁波吸收性能，其有效吸收频段可以覆盖1 - 40, 50-110 GHz和0.1-2 THz。整个测试频率的平均反射损耗高达-19.3 dB (电磁波被吸收98.8%)。此外，当天线的入射角从5°增加到45°时，磁-介电协同超材料保持了良好的宽带吸收性能。