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  太赫茲波位于毫米波與紅外線之間，頻率在0.1～10 THz（波長(zhǎng)為3000 μm～30 μm）范圍內(nèi)，具有瞬態(tài)性（典型脈寬在皮秒量級(jí)）、寬帶性、高信噪比等特點(diǎn)，在高速寬帶通信、成像、雷達(dá)、存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，被稱為二十一世紀(jì)影響人類未來(lái)的十大技術(shù)之一。但是太赫茲波段的動(dòng)態(tài)功能器件比較缺乏。利用摻雜半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料、相變氧化物、二維材料等光電參數(shù)可調(diào)的功能材料，可以對(duì)太赫茲波傳輸進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)開關(guān)、調(diào)制、傳感等功能。但是這類材料對(duì)太赫茲波的調(diào)控效率普遍較低，且很難實(shí)現(xiàn)太赫茲波柔性功能器件。高分子材料普遍對(duì)太赫茲波透過(guò)率高，在太赫茲領(lǐng)域一般僅用于窗口材料。導(dǎo)電高分子材料通過(guò)將高分子基體與導(dǎo)電粒子復(fù)合，可獲得接近半導(dǎo)體的電導(dǎo)特性，在柔性電子器件中具有廣泛應(yīng)用前景，但是未見報(bào)道將其應(yīng)用于太赫茲動(dòng)態(tài)調(diào)控。

圖1 (a)TPU/Ni導(dǎo)電高分子薄膜光學(xué)照片，(b)薄膜電阻率隨拉伸應(yīng)變的變化趨勢(shì)，(c)-(f)薄膜拉伸過(guò)程中的原位SEM形貌

  四川大學(xué)鄧華教授課題組與施奇武副教授課題組基于各自分別在導(dǎo)電高分子材料及功能設(shè)計(jì)、太赫茲波動(dòng)態(tài)調(diào)控材料領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，合作提出了一種基于導(dǎo)電高分子薄膜的柔性、高效太赫茲波動(dòng)態(tài)調(diào)控。通過(guò)在熱塑性聚氨酯彈性體TPU中添加不同體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)電粒子Ni，進(jìn)行共混復(fù)合后得到Ni粒子均勻彌散分布于TPU基體中的導(dǎo)電高分子復(fù)合薄膜。該薄膜的電阻特性對(duì)應(yīng)力高度敏感，在拉伸應(yīng)變達(dá)到10%左右時(shí)，電阻率變化幅度可達(dá)到7個(gè)數(shù)量級(jí)左右（圖1b）。通過(guò)原位拉伸SEM形貌分析其機(jī)制可知，薄膜在拉伸應(yīng)變過(guò)程中，導(dǎo)電粒子分布形態(tài)發(fā)生變化并逐漸形成連通網(wǎng)絡(luò)，從而為電子傳導(dǎo)提供路徑，即形成電子傳輸?shù)摹皾B流”網(wǎng)絡(luò)（圖1c-f）。

  由于太赫茲波對(duì)介質(zhì)的電阻特性敏感，這種導(dǎo)電高分子復(fù)合材料為動(dòng)態(tài)調(diào)控太赫茲波傳輸提供了可能性。研究人員分析了薄膜在加載應(yīng)力條件下的太赫茲波透射特性，發(fā)現(xiàn)其太赫茲波透射強(qiáng)度隨拉伸應(yīng)變動(dòng)態(tài)變化，拉升率約為27%時(shí)，太赫茲波透射強(qiáng)度衰減幅度達(dá)到96%以上，實(shí)現(xiàn)了大幅的太赫茲波開關(guān)功能。應(yīng)力去除后，薄膜的太赫茲波透射強(qiáng)度恢復(fù)初始狀態(tài)，在1000次應(yīng)力加載-釋放循環(huán)試驗(yàn)后，材料的太赫茲波調(diào)制性能仍保持穩(wěn)定（圖2）。這是迄今為止關(guān)于太赫茲波調(diào)制性能研究報(bào)道中最好的效果之一。

圖2 TPU/Ni導(dǎo)電高分子薄膜在拉升應(yīng)變下的(a)太赫茲時(shí)域光譜，(b)頻域光譜，(c)太赫茲透射強(qiáng)度隨拉伸應(yīng)變的變化趨勢(shì)，(d)太赫茲波開關(guān)循環(huán)效果

  與其它剛性功能材料不同，這種導(dǎo)電高分子復(fù)合材料有望用于實(shí)現(xiàn)柔性太赫茲動(dòng)態(tài)功能器件。研究人員展示了一種基于該材料的柔性太赫茲波應(yīng)力傳感。如圖3所示，在拉伸應(yīng)變前后，薄膜的太赫茲波成像結(jié)果可以清晰反映應(yīng)力加載效果。該研究首次將太赫茲調(diào)控材料體系拓展到高分子領(lǐng)域，并提出了基于太赫茲技術(shù)的柔性應(yīng)力傳感器概念。

圖3 基于TPU/Ni導(dǎo)電高分子薄膜的(a)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)太赫茲波調(diào)控機(jī)制圖，及拉伸前(a)、(b)的太赫茲成像效果

  以上相關(guān)成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。論文第一作者為四川大學(xué)施奇武副教授，目前在加州大學(xué)伯克利分校從事訪問(wèn)學(xué)者工作，通訊作者為鄧華教授，共同通訊作者為中國(guó)工程物理研究院朱禮國(guó)研究員。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b21890