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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（波長為3000 μm～30 μm）范圍內，具有瞬態(tài)性（典型脈寬在皮秒量級）、寬帶性、高信噪比等特點，在高速寬帶通信、成像、雷達、存儲等領域具有巨大的應用前景，被稱為二十一世紀影響人類未來的十大技術之一。但是太赫茲波段的動態(tài)功能器件比較缺乏。利用摻雜半導體、超導材料、相變氧化物、二維材料等光電參數(shù)可調的功能材料，可以對太赫茲波傳輸進行動態(tài)調控，實現(xiàn)開關、調制、傳感等功能。但是這類材料對太赫茲波的調控效率普遍較低，且很難實現(xiàn)太赫茲波柔性功能器件。高分子材料普遍對太赫茲波透過率高，在太赫茲領域一般僅用于窗口材料。導電高分子材料通過將高分子基體與導電粒子復合，可獲得接近半導體的電導特性，在柔性電子器件中具有廣泛應用前景，但是未見報道將其應用于太赫茲動態(tài)調控。

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

  四川大學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電高分子材料及功能設計、太赫茲波動態(tài)調控材料領域的研究基礎，合作提出了一種基于導電高分子薄膜的柔性、高效太赫茲波動態(tài)調控。通過在熱塑性聚氨酯彈性體TPU中添加不同體積分數(shù)的導電粒子Ni，進行共混復合后得到Ni粒子均勻彌散分布于TPU基體中的導電高分子復合薄膜。該薄膜的電阻特性對應力高度敏感，在拉伸應變達到10%左右時，電阻率變化幅度可達到7個數(shù)量級左右（圖1b）。通過原位拉伸SEM形貌分析其機制可知，薄膜在拉伸應變過程中，導電粒子分布形態(tài)發(fā)生變化并逐漸形成連通網(wǎng)絡，從而為電子傳導提供路徑，即形成電子傳輸?shù)摹皾B流”網(wǎng)絡（圖1c-f）。

  由于太赫茲波對介質的電阻特性敏感，這種導電高分子復合材料為動態(tài)調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)其太赫茲波透射強度隨拉伸應變動態(tài)變化，拉升率約為27%時，太赫茲波透射強度衰減幅度達到96%以上，實現(xiàn)了大幅的太赫茲波開關功能。應力去除后，薄膜的太赫茲波透射強度恢復初始狀態(tài)，在1000次應力加載-釋放循環(huán)試驗后，材料的太赫茲波調制性能仍保持穩(wěn)定（圖2）。這是迄今為止關于太赫茲波調制性能研究報道中最好的效果之一。

圖2 TPU/Ni導電高分子薄膜在拉升應變下的(a)太赫茲時域光譜，(b)頻域光譜，(c)太赫茲透射強度隨拉伸應變的變化趨勢，(d)太赫茲波開關循環(huán)效果

  與其它剛性功能材料不同，這種導電高分子復合材料有望用于實現(xiàn)柔性太赫茲動態(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力傳感。如圖3所示，在拉伸應變前后，薄膜的太赫茲波成像結果可以清晰反映應力加載效果。該研究首次將太赫茲調控材料體系拓展到高分子領域，并提出了基于太赫茲技術的柔性應力傳感器概念。

圖3 基于TPU/Ni導電高分子薄膜的(a)應力驅動太赫茲波調控機制圖，及拉伸前(a)、(b)的太赫茲成像效果

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

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