CN111600134A - 一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料 - Google Patents

一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料，包括多个周期性排列的超材料结构单元，每个超材料结构单元包括超材料结构Ⅰ和超材料结构Ⅱ，超材料结构Ⅰ包括第一导电层和第一介质层，第一导电层设置于第一介质层之上，第一导电层上设置有沿超材料结构单元中心对称的双“L”形结构，超材料结构Ⅱ包括第二导电层和第二介质层，第二导电层设置于第二介质层之上，第二导电层上设置有沿超材料结构单元中心对称的四“L”形结构，“L”形结构的边分别平行于相对应的超材料结构单元的边；本发明厚度小，对工作频段在8.25GHz‑17.35GHz范围内的电磁波吸收率高于90%，可见光波段平均透过率为85%；本发明涉及电磁防护技术领域。

Description

一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料
技术领域
本发明涉及电磁防护技术领域，更具体而言，涉及一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料。
背景技术
随着电子元器件和电子设备广泛应用，它们带来极大便利的同时，产生的电磁辐射也会影响人们的日常生活，使人类生存空间的电磁环境越来越恶化。其产生的电磁干扰不仅会对电脑、仪表等电子设备产生严重的干扰，甚至产生不可逆的破坏，同时还会对处于电磁环境中的人员也有一定程度的危害。因此，在诸多领域都提出了对电磁屏蔽的要求，尤其是对于航空航天设备、通信设备加密电脑的显示器、精密仪表盘等的观测窗，不仅要求高光学透光率，同时也必须满足电磁屏蔽的要求，以确保实现精密探测和观测。
目前，电磁屏蔽材料通常为宽带隙氧化物半导体、金属涂层等以反射为主的电磁屏蔽材料，虽然部分材料或结构满足透光率要求，但是会造成二次电磁辐射污染。因而，对电磁屏蔽应用来说，开发吸收占主导地位的电磁吸波材料是必要的。
在透明吸波材料研究的早期，研究人员更多使用金属栅网、氧化铟锡（ITO）以及石墨烯等材料，根据Salisbury屏共振吸收的原理制备得到。为了进一步拓展吸波带宽，通常利用多个Salisbury屏叠加技术，但拓展吸波带宽，是以牺牲可见光透过率为代价的。
不同于ITO膜和金属网栅，石墨烯除了具有超高的透光率外，其本身还具有优异的电学性质，使得石墨烯成为实现高透明的微波吸波材料的一个有效途径。人工超材料结构电磁特性取决于周期性的图案化结构特征而非其化学组成，将人工超材料结构与石墨烯薄膜相结合，可赋予透明高效导电薄膜以雷达波吸收损耗，对电磁防护领域具有重要意义。
M. Grande等人基于Salisbury屏的原理，提出了一种基底为无损高透明无机玻璃（Grande M, et al. Optically transparent microwave screens based on engineeredgraphene layers[J]. Optics Express, 2016, 24(20): 22788-22795.），上下层为石墨烯薄膜的吸波体结构，该吸波体在3.6mm的厚度下实现了在8.5-9.5GHz频段内80%以上的吸收。在可见光范围内，所制备样品的实测透光率大于80%，但是吸波带宽太窄对其应用产生极大的限制。
D. Yi 等人提出了一种可调石墨烯微波吸收器（Yi D, et al. TunableMicrowave Absorber Based on Patterned Graphene[J]. IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques, 2017, 65(8): 2819-2826.），这种吸收器通过石墨烯表面配合堆叠结构或是通过外加强电场改变石墨烯方阻来实现调谐功能，但是这种调谐方法制作成本高昂。
蔡强等人设计了一种石墨烯超材料结构层、空气层和金属层的3层复合结构（蔡强, 等. 石墨烯超材料复合结构的宽带吸波.中国激光，2017，44(10):1003005.），通过利用电磁波在金属层与石墨烯超材料结构层间进行多次振荡，实现了高吸收率条件下工作带宽的扩展。然而，当要求吸波率大于90%时，其吸波带宽太窄使其应用场景受到极大的限制。
因此，研制一种超材料结构的可视、超薄、宽频特点的吸波材料已成为当前的紧迫课题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，提供一种具有可视、超薄、宽频特点的用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料，包括多个周期性排列的超材料结构单元，每个超材料结构单元包括双层超材料结构，分别为超材料结构Ⅰ和超材料结构Ⅱ；
超材料结构Ⅰ包括第一导电层和第一介质层，第一导电层设置于第一介质层之上，第一导电层上设置有沿超材料结构单元中心对称的双“L”形结构，“L”形结构的边分别平行于相对应的超材料结构单元的边；
超材料结构Ⅱ包括第二导电层和第二介质层，第二导电层设置于第二介质层之上，第二导电层上设置有沿超材料结构单元中心对称的四“L”形结构，“L”形结构的边分别平行于相对应的超材料结构单元的边。
进一步的，所述第一导电层和第二导电层均为薄膜基超材料结构，其材质为石墨烯薄膜、金属栅网、纳米银线中的任意一种。
进一步的，所述第一介质层和第二介质层的材质为玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸类塑料、聚二甲基硅氧烷中的任意一种。
进一步的，所述第一介质层和第二介质层的介电常数范围为1-10，耗损角正切值范围为：0.0009-0.025，厚度范围为：0.1-5mm；
所述第一导电层和第二导电层的方阻值范围为：30-500Ω/sq。
进一步的，超材料结构Ⅰ和超材料结构Ⅱ采用对位技术，利用导电胶贴合工艺实现上下两层对位粘合。
进一步的，所述导电胶厚度为0.1mm±0.05mm。
进一步的，石墨烯吸波超材料工作频段范围为：8.25GHz-17.35GHz。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果为：
1、本发明基于阻抗匹配特性，利用不同方阻值导电薄膜刻蚀出的周期性微结构改善吸波材料的阻抗匹配特性，使得电磁波更容易入射。
2、本发明基于衰减特性，利用电磁波在上下层图形结构之间的相互耦合损耗部分电磁波，从而提高吸波性能；利用导电薄膜的高透光性提升产品的透光性能。
3、与传统吸波材料相比，厚度从10mm降低到2.5mm，工作频段在8.25GHz-17.35GHz范围内的吸收率高于90%，可见光波段平均透过率为85%，具有超材料、超薄化、宽频化的特点。
附图说明
下面将通过附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
图1为超材料结构单元的结构示意图；
图2为超材料结构Ⅰ的单元结构示意图；
图3为超材料结构Ⅱ的单元结构示意图；
图4为当谐振点工作在9.5GHz时超材料结构Ⅰ的电流强度分布；
图5为当谐振点工作在15GHz时超材料结构Ⅰ的电流强度分布；
图6为当谐振点工作在9.5GHz时超材料结构Ⅱ的电流强度分布；
图7为当谐振点工作在15GHz时超材料结构Ⅱ的电流强度分布；
图8为超材料结构Ⅰ的整体结构示意图；
图9为超材料结构Ⅱ的整体结构示意图；
图10为石墨烯吸波超材料的结构示意图；
图11为采用弓形法测试吸波材料的吸波特性的测试结果。
图中：1为超材料结构Ⅰ，11为第一导电层，12为第一介质层，13为双“L”形结构，2为超材料结构Ⅱ，21为第二导电层，22为第二介质层，23为四“L”形结构，3为超材料结构单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
实施例：
如图1至图11所示，一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料，包括多个周期性排列的超材料结构单元3，每个超材料结构单元3包括双层超材料结构，分别为超材料结构Ⅰ1和超材料结构Ⅱ2；
超材料结构Ⅰ1包括第一导电层11和第一介质层12，第一导电层11设置于第一介质层12之上，第一导电层11上设置有沿超材料结构单元3中心对称的双“L”形结构13，“L”形结构的边分别平行于相对应的超材料结构单元3的边；第一导电层11方阻值为S1,第一介质层12厚度为h1，介电常数为e 1。
超材料结构Ⅱ2包括第二导电层21和第二介质层22，第二导电层21设置于第二介质层22之上，第二导电层21上设置有沿超材料结构单元3中心对称的四“L”形结构23，“L”形结构的边分别平行于相对应的超材料结构单元3的边；第二导电层21方阻值为S2,第二介质层22厚度为h2，介电常数为e 2。
本实施例中超材料结构单元3的参数为：l=8.9mm，w=8.9mm，l1=5.0mm，l2=3.1mm，l3=1.6mm，l4=5.0mm，w1=0.3mm，w2=0.8mm。
第一介质层12和第二介质层22的介电常数e 1、e 2均为4.8，耗损角正切值为0.0054，厚度h1为0.5mm±0.05mm，厚度h2为2mm±0.05mm。
第一导电层11和第二导电层21的方阻值范围为：30-500Ω/sq。
第一介质层12和第二介质层22采用玻璃材质。
第一导电层11和第二导电层21采用石墨烯材质。
超材料结构Ⅰ1和超材料结构Ⅱ2采用对位技术，利用导电胶贴合工艺实现超材料结构Ⅰ1和超材料结构Ⅱ2上下两层对位粘合。
所述导电胶厚度为0.1mm±0.05mm。
石墨烯吸波超材料的工作频段范围为：8.25GHz-17.35GHz。
本发明利用相同（或不同）方阻值石墨烯薄膜刻蚀出的超材料结构单元互相耦合损耗部分电磁波，实现宽频段吸波特性。
对吸波材料在吸峰处的电流强度分布情况进行监控，如图所示，当谐振点工作在9.5GHz时，电流强度集中在四L的水平和垂直臂长处；当谐振点工作在15GHz时，电流强度集中在双L的水平和垂直臂长处。因此，第一谐振点由四“L”形超材料结构单元激励，第二谐振点由双“L”形超材料结构单元激励。
采用弓形法测试得到吸波材料的吸波特性，测试结果如图所示：工作频段在8.25GHz-17.35GHz范围内吸收率高于90%，覆盖了X波段（8.25GHz-12GHz）和Ku波段（12GHz-17.35GHz）。
石墨烯吸波超材料可见光波段平均透过率为85%。
制作方法：
本发明中的石墨烯材料可使用CVD法制备：在低压条件下，采用铜作为金属催化剂基底，甲烷、长链烷烃等作为碳源，基本步骤如下：（1）碳源在催化剂表面吸附；（2）碳源脱附；（3）碳源的脱氢分解；（4）碳原子在催化剂表面的迁移；（5）碳原子在表面直接成核并生长成石墨烯；（6）碳原子在高温下融入金属铜体相；（7）碳原子在金属体内扩散；（8）降温，碳原子从金属体相中析出，并在表面形成和生长石墨烯。
超材料结构可使用激光刻蚀技术制备：利用CAD绘图软件画出所需要的吸波材料图形，超材料结构单元尺寸为8.9mm×8.9mm，周期数为20×20，石墨烯吸波超材料整体尺寸为180mm×180mm×2.5mm；通过激光光绘机绘制成蓝白微结构工艺图；利用高光束质量的小功率激光束聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使蓝色图形部分在瞬间汽化蒸发，形成超材料结构单元，采用对位技术，利用导电胶贴合工艺实现上下两层对位粘合，导电胶厚度0.1mm±0.05mm。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料，其特征在于：包括多个周期性排列的超材料结构单元（3），每个超材料结构单元包括双层超材料结构，分别为超材料结构Ⅰ（1）和超材料结构Ⅱ（2）；
超材料结构Ⅰ（1）包括第一导电层（11）和第一介质层（12），第一导电层（11）设置于第一介质层（12）之上，第一导电层（11）上设置有沿超材料结构单元（3）中心对称的双“L”形结构（13），“L”形结构的边分别平行于相对应的超材料结构单元的边；
超材料结构Ⅱ（2）包括第二导电层（21）和第二介质层（22），第二导电层（21）设置于第二介质层（22）之上，第二导电层（21）上设置有沿超材料结构单元（3）中心对称的四“L”形结构（23），“L”形结构的边分别平行于相对应的超材料结构单元的边。
2.根据权利要求1所述的一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料，其特征在于：所述第一导电层（11）和第二导电层（21）均为薄膜基超材料结构，其材质为石墨烯薄膜、金属栅网、纳米银线中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料，其特征在于：所述第一介质层（12）和第二介质层（22）的材质为玻璃、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸类塑料、聚二甲基硅氧烷中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料，其特征在于：所述第一介质层（12）和第二介质层（22）的介电常数范围为1-10，耗损角正切值范围为：0.0009-0.025，厚度范围为：0.1-5mm；
所述第一导电层（11）和第二导电层（21）的方阻值范围为：30-500Ω/sq。
5.根据权利要求1所述的一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料，其特征在于：超材料结构Ⅰ（1）和超材料结构Ⅱ（2）采用对位技术，利用导电胶贴合工艺实现上下两层对位粘合。
6.根据权利要求5所述的一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料，其特征在于：所述导电胶厚度为0.1mm±0.05mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于加密电脑显示器的石墨烯吸波超材料，其特征在于：石墨烯吸波超材料工作频段范围为：8.25GHz-17.35GHz。
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