用於微波和太赫茲頻率的寬帶電磁輻射吸收的基於石墨烯的結構和方法與流程

2023-11-03 19:12:42 2

本公開一般涉及使用石墨烯吸收寬帶電磁波的結構和方法，更具體地，涉及被配置為吸收從電磁波發生源發射的微波和太赫茲頻率的寬帶電磁波的石墨烯片（graphenesheet）的方法和結構。

背景技術：
當前正在調查研究用於眾多商業和軍事應用的在微波和太赫茲頻譜範圍的寬帶吸收材料的發展。例如，太赫茲雷達系統能夠探測亞毫米級的目標的詳細結構，同時能夠根據吸收的頻譜依賴性區分材料。對於軍事應用，可基於頻譜響應，通過名錄（catalogue）或薄葉（thinfoliage）以及從背景辨別出的目標來偵測武器或人員。完全吸收所關注的（例如太赫茲頻率的）入射電磁波以使得不發生透射和反射的寬帶吸收材料的使用可被用來有效地隱藏目標。但是，用於該目的的大部分已知材料系統依賴於吸收頻譜的諧振峰值，且因此仍然缺少寬帶解決方案。

技術實現要素：
根據實施例，一種用於吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的結構包括多個石墨烯片，所述多個石墨烯片位於將隱形（cloak）於電磁輻射的物體上或其周圍。在一些情況下，該隱形結構還可包括位於相鄰的石墨烯片之間的透明介電層。在另一實施例中，一種用於吸收微波和太赫茲頻率的寬帶電磁輻射的結構包括多個石墨烯片，所述多個石墨烯片被配置為位於物體上或其周圍以吸收微波和太赫茲頻率的寬帶電磁輻射。在另一實施例中，用於吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的可移動（removable）結構包括含有石墨烯的織物，其中所述織物被配置為可移動地裹在物體周圍，其中石墨烯具有能有效吸收微波和/或太赫茲頻率的電磁輻射的至少一部分的量。通過本發明的技術還實現了另外的特徵和優點。本發明的其他實施例和方面在此被詳細描述並被認為是所要求保護的發明的一部分。為了更好地理解本發明的優點和特徵，參考說明和附圖。附圖說明在說明書的結尾處的權利要求書中具體地指出並明確地要求保護被認為是本發明的主題。通過以下結合附圖進行的詳細描述，本發明的前述和其他特徵和優點將變得明顯，在附圖中：圖1示例出遠紅外和太赫茲波段中單個石墨烯層的透射頻譜。圖2示例出根據實施例用於吸收微波和太赫茲頻譜的電磁輻射的電磁寬帶吸收結構，該結構包括多個石墨烯片。圖3示例出根據實施例用於吸收微波和太赫茲頻譜的電磁輻射的電磁寬帶吸收結構，該結構包括通過透明介電層分隔的多個石墨烯片。圖4示例出根據實施例用於吸收微波和太赫茲頻譜的電磁輻射的電磁寬帶吸收結構，該結構包括含有石墨烯鱗片（grapheneflake）的塗層。具體實施方式本文中公開了用於吸收處於微波和太赫茲頻率的從電磁輻射源發射的電磁輻射的至少一部分的電磁寬帶吸收結構和方法。通過提供對微波和太赫茲頻率的電磁波的寬帶吸收，由於寬帶電磁波被吸收且沒有發生透射或反射，因此可以在這些頻率下有效地隱藏物體。本文中使用的術語「微波」一般而言是指1毫米到1米的波長範圍（即，300MHz到300GHz），而術語「太赫茲」一般而言是指在1000到100微米之間的波長範圍內（即，300GHz到3THz）的亞毫米波能。電磁寬帶吸收結構通常由多個石墨烯片形成，其中電磁寬帶吸收結構能有效地吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的至少一部分。石墨烯片的數量通常取決於所預期的應用和具體應用所需的最小反射。典型的石墨烯「層」可包括單個石墨烯片或多個石墨烯片，例如，在一些實施例中是1片到1000片，在其他實施例中是約10片到100片。在大部分實施例中，所產生的由石墨烯片組成的石墨烯層可具有約1納米到約100納米的厚度，而在其他實施例中具有約10nm到約80nm的厚度。石墨烯是一種以平面六角形結構排列的二維的碳原子同素異形體。其以有用的電子特性為特徵，這些電子特性包括兩極性、高純度、高遷移率、高臨界電流密度。已報導了在室溫下高達200,000cm2/Vs的電子遷移率值。在結構上，石墨烯具有由sp2雜化而形成的雜化軌道。在sp2雜化中，2s軌道和三個2p軌道中的兩個混合而形成三個sp2軌道。剩下的一個p軌道在碳原子之間形成π鍵。與苯的結構相似，石墨烯的結構具有p軌道的共軛環，該共軛環呈現出比僅通過共軛的穩定性所期望的更強的穩定性，即，石墨烯結構是芳族結構。與諸如金剛石、無定形碳、碳納米泡沫（carbonnanofoam）、或富勒烯的其它碳的同素異形體不同，石墨烯不是碳的同素異形體，這是因為石墨烯的厚度是一個原子碳層，即，一個石墨烯片不形成三維晶體。石墨烯具有不尋常的帶結構，其中錐形電子和空穴袋僅在動量空間中的布裡淵區（Brillouinzone）的K點處相遇。電荷載流子（即電子或空穴）的能量具有對載流子的動量的線性相關性。結果，載流子如同具有零有效質量的相對的狄拉克-費米子（Dirac-Fermions），並以ceJf￡l06米/秒的有效光速移動。其相對量子力學行為由狄拉克方程支配。結果，石墨烯片具有在4K下最高60,000cm2/V-sec的大載流子遷移率。在300K下，載流子遷移率為約15,000cm2/V-sec。而且，在石墨烯片中已觀察到量子霍爾效應。K（K』）點附近的石墨烯的線性色散導致非常寬帶波長範圍的垂直入射光的恆定的帶間吸收（從價帶到導帶，約2.3%）。更有趣的是，在微波和太赫茲頻率範圍，帶間吸收佔優勢，並且，依賴於石墨烯中的載流子濃度，單個層在300微米的光波長下可吸收多達30%，這可從圖1中提供的透射頻譜得到證明。結果，將石墨烯用於微波和太赫茲頻率吸收具有眾多優點，例如，其為超薄的且相對於其他材料是有效的吸收層。而且，由於石墨烯是由以蜂窩晶格堆積的碳原子形成的一個原子厚的單層片，其中每個碳原子通過sp2鍵合而被鍵合到三個鄰近的碳原子，因此，提供有效吸收所需的整體厚度是最小的，為若干納米的量級。因此，石墨烯片的使用為要被屏蔽的物體提供最小的附加重量，具有寬帶吸收能力，並提供比現有技術的結構更大的通用性。而且，石墨烯因為其高機械強度和高穩定性而被廣泛認可，這些特性對於大多數應用來說是所需的特性。石墨烯片可通過本領域中已知的任何合適的工藝製成，這些工藝包括例如對體石墨的機械剝離、化學沉積、生長等。目前，在形成石墨烯層的常規方法當中，通過化學氣相沉積形成石墨烯層的方法是常用的，這是因為可以以相對低的成本製造大面積的石墨烯層。僅通過舉例，在金屬（即，箔）基板上的化學氣相沉積（CVD）可被用來形成石墨烯片。為了通過化學氣相沉積形成石墨烯層，前體（precursor）被選擇為使得該前體的催化分解形成石墨烯層。前體可以是氣體、液體、或固體的碳氫化合物，例如甲烷、乙烯、苯、甲苯等。前體也可包括諸如氫氣的其他材料並與所述其他材料混合。CVD工藝可在大氣壓力下實施，或者CVD設備的真空室可被排氣而低於大氣壓。在一個實施例中，真空室在100mTorr和500mTorr之間被施壓。CVD設備也可被配置為加熱將用石墨烯塗覆的基板。例如，基板可被加熱到在某些前體和應用的情況下所需的約1200℃或更高。也可使用化學剝離來形成石墨烯片。這些技術對本領域技術人員是已知的，由此不在此進行進一步的描述。如一些應用所需的，石墨烯可形成在基板上。具體的基板不旨在被限制，且甚至可包括電磁輻射源本身。例如，結構性材料（structuralmaterial）可包括泡沫、蜂窩、玻璃纖維疊層、Kevlar纖維複合材料、聚合物材料、或其組合。合適的結構性材料的非限制性例子包括聚氨酯、矽氧烷、氟矽氧烷、聚碳酸酯、乙烯乙酸乙烯酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碸、丙烯酸樹脂（acrylics）、聚氯乙烯、聚亞苯基醚、聚苯乙烯、聚醯胺、尼龍、聚烯烴、聚(醚醚酮）、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、含氟聚合物、聚酯、縮醛、液晶聚合物、聚丙烯酸甲酯、聚苯醚、聚苯乙烯、環氧類、酚類、氯磺酸酯、聚丁二烯、氯丁橡膠、腈類、聚異戊二烯、天然橡膠、諸如苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、乙烯-丙烯、乙烯-丙烯-二烯單體（EPDM）、腈-丁二烯和苯乙烯-丁二烯、及其共聚物和混合物。任何前述材料可被無泡沫地使用，或者如果應用需要，可被吹制或被化學或物理地處理成開放的或閉合的基元泡沫（cellfoam）。基板的形狀不旨在受限制。例如，基板可具有平面和/或曲線表面，例如可被發現為箔狀、盤狀、管狀等。一旦形成石墨烯片，就可以使用常規的剝離技術將片沉積到所需的物體上，或可將片直接沉積到感關注的基板。通常，片被沉積為一個在另一個的頂上以形成膜。由此，僅通過舉例的方式，石墨烯膜可包括多個石墨烯片的疊層（也被稱為層）。術語「基板」通常被用來指想要在其上沉積石墨烯膜的任何合適的基板，且使得該特定基板有效地從微波和太赫茲頻率的電磁輻射隱藏。在圖2中示出的一個實施例中，用於吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的電磁寬帶吸收結構10包括被直接傳遞（transfer）到所關注的基板12的多個石墨烯片141、142、……14n。所使用的石墨烯片的數量通常根據期望的應用和特定應用所需的最小反射水平。在圖3中示出的另一個實施例中，設置在物體22上或周圍的、用於吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的電磁寬帶吸收結構20包括一個或多個石墨烯片241、242、…24n，其中在石墨烯片之間具有透明中間介電層26。在一個實施例中，合適的介電材料包括但不限於二氧化矽、氮化矽、多孔二氧化矽、聚醯亞胺、聚降冰片烯、苯並環丁烯、甲基倍半矽氧烷（methylsilsequioxanes）、摻雜的玻璃層，例如磷矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃等。在其他實施例中，介電層可以是低k介電層，其中低k通常是指具有小於二氧化矽的介電常數的材料。示例性低k介電材料包括但不限於來自DowChemical的來自Novellus的來自AppliedMaterials的Black且可使用旋塗的電介質。通常可被描述為SICOH電解質。根據特定的介電材料，介電層可通過化學氣相沉積（CVD）、等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）、大氣沉積以及旋塗技術而形成。在一個實施例中，介電層是化學氣相沉積的材料，例如二氧化矽或氮化矽，其被沉積在相鄰的石墨烯層之間。通過調整中間介電層的折射率和厚度，可以針對特定應用使結構的性能最優化。在圖4中示出的另一個實施例中，用於吸收微波和太赫茲頻率的電磁輻射的電磁寬帶吸收結構30包括塗料配方（paintformulation）的一個或多個塗層34，所述塗料配方包括石墨烯鱗片作為施加到物體32的表面的顏料以用於隱形。石墨烯鱗片的量通常可在塗料配方中不同。但是，高濃度通常是優選的，以使塗層厚度最小化。包括諸如乳膠的粘合劑的塗料配方的其他成分可以是常規用於塗料配方的成分，只要其他成分不幹擾由石墨烯鱗片中提供的吸收特性即可。例如，粘合劑可包括合成的或天然的樹脂，例如醇酸、丙烯酸類樹脂、乙烯基丙烯酸類樹脂、乙酸乙烯酯/乙烯（VAE）、聚氨酯、聚酯、蜜胺樹脂、環氧樹脂或油。粘合劑可根據用於乾燥或固化的機理而被分類。儘管乾燥可指溶劑的蒸發或稀釋劑，其通常指粘合劑的氧化交聯，且區分於固化。一些塗料僅通過溶劑蒸發而形成，但大部分塗料依賴於交聯處理。塗料配方也可包括各種混雜的添加劑，這些添加劑通常以較小量被添加。通過舉例的方式，典型的添加劑可被包括以修改表面張力、改善流動特性、改善成品外觀、增加溼邊（wetedge）、改善顏料穩定性、賦予防凍性能、控制發泡、控制起皮（skinning）等。其他類型的添加劑包括催化劑、增稠劑、穩定劑、乳化劑、組織形成劑、附著力促進劑、紫外線穩定劑、平化劑（消光劑（de-glossingagent））、對抗細菌生長的生物殺傷劑等。一旦被施加到所關注的基板，被塗覆的塗層可提供微波和太赫茲頻率的高吸收。可選地，可提供包含石墨烯鱗片的織物或布以在需要時為要隱形的物體提供顯露（uncloaking）能力。而且，織物或布可與多個物體共享。術語織物或布通常指這樣的柔性的人工材料：其由天然的或人造的纖維的網絡製成。纖維可被浸漬和/或編織有石墨烯鱗片，所述石墨烯鱗片可包括粘合劑以有助於將石墨烯鱗片粘合到織物。織物本身不旨在被限制為任何特定類型。石墨烯鱗片可通過機械剝離法作為石墨體而被製備，以產生微米尺寸的石墨烯鱗片，如在公開號為2010/0147188的美國專利中所描述的，通過引用將其整個內容合併到本文中。其也可從ParmaOhio的GrafTechINternaionalLtd作為獲得。如上描述的包括石墨烯層和/或石墨烯鱗片的基板提供了減小的太赫茲微波和紅外截面。結果，基板本身將被有效地隱藏，這是因為石墨烯層和/或石墨烯鱗片是低透射和低反射性材料，其程度通常取決於石墨烯的厚度和密度。這樣的優化完全在本領域普通技術人員的技能內。將理解，當一個元件或層被稱為在另一個元件或層「上」、「被插入」、「被設置」或「在其間」時，其可以是直接位於居間的元件或層上、被插入、設置或位於另一元件或層上，或可存在居間的元件或層。將理解，儘管可在此使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件、組件、區域、層和/或部分，這些元件、組件、區域、層和/或部分不應被這些術語限制。這些術語僅被用來將一個元件、組件、區域、層或部分與另一個元件、組件、區域、層或部分進行區分。因此以下討論的第一元件、組件、區域、層或部分可被稱為第二元件、組件、區域、層或部分，而不脫離本發明的教義。在此使用的術語是僅僅用於描述具體實施例的目的，而不旨在限制本發明。在此使用的單數形式的「一」、「一個」和「該」旨在也包括複數形式，除非上下文中明確地另外指出。還應理解，在用於該說明書中時，術語「包括」和/或「包含」規定所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在或附加。在下面的權利要求中的所有裝置或步驟加功能要素的對應結構、材料、動作和等價物旨在包括用於與具體地要求保護的其他要求保護的要素組合地執行功能的任何結構、材料或動作。本發明的說明書是為了示例和說明的目的而給出的，而不旨在以所公開的形式窮舉或限制本發明。只要不脫離本發明的範圍和精神，多種修改和變化對於本領域的普通技術人員而言是顯而易見的。為了最好地解釋本發明的原理和實際應用，且為了使本領域的其他普通技術人員能夠理解本發明的具有適於所預期的特定用途的各種修改的各種實施例，選擇和描述了實施例。