四川大学邓华教授课题组、施奇武副教授课题组等合作：导电高分子薄膜实现应力驱动的超高效柔性太赫兹波调控

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太赫兹波位于毫米波与红外线之间，频率在0.1～10 THz（波长为3000 µm～30 µm）范围内，具有瞬态性（典型脉宽在皮秒量级）、宽带性、高信噪比等特点，在高速宽带通信、成像、雷达、存储等领域具有巨大的应用前景，被称为二十一世纪影响人类未来的十大技术之一。但是太赫兹波段的动态功能器件比较缺乏。利用掺杂半导体、超导材料、相变氧化物、二维材料等光电参数可调的功能材料，可以对太赫兹波传输进行动态调控，实现开关、调制、传感等功能。但是这类材料对太赫兹波的调控效率普遍较低，且很难实现太赫兹波柔性功能器件。高分子材料普遍对太赫兹波透过率高，在太赫兹领域一般仅用于窗口材料。导电高分子材料通过将高分子基体与导电粒子复合，可获得接近半导体的电导特性，在柔性电子器件中具有广泛应用前景，但是未见报道将其应用于太赫兹动态调控。

图1 (a)TPU/Ni导电高分子薄膜光学照片，(b)薄膜电阻率随拉伸应变的变化趋势，(c)-(f)薄膜拉伸过程中的原位SEM形貌

四川大学邓华教授课题组与施奇武副教授课题组基于各自分别在导电高分子材料及功能设计、太赫兹波动态调控材料领域的研究基础，合作提出了一种基于导电高分子薄膜的柔性、高效太赫兹波动态调控。通过在热塑性聚氨酯弹性体TPU中添加不同体积分数的导电粒子Ni，进行共混复合后得到Ni粒子均匀弥散分布于TPU基体中的导电高分子复合薄膜。该薄膜的电阻特性对应力高度敏感，在拉伸应变达到10%左右时，电阻率变化幅度可达到7个数量级左右（图1b）。通过原位拉伸SEM形貌分析其机制可知，薄膜在拉伸应变过程中，导电粒子分布形态发生变化并逐渐形成连通网络，从而为电子传导提供路径，即形成电子传输的“渗流”网络（图1c-f）。

由于太赫兹波对介质的电阻特性敏感，这种导电高分子复合材料为动态调控太赫兹波传输提供了可能性。研究人员分析了薄膜在加载应力条件下的太赫兹波透射特性，发现其太赫兹波透射强度随拉伸应变动态变化，拉升率约为27%时，太赫兹波透射强度衰减幅度达到96%以上，实现了大幅的太赫兹波开关功能。应力去除后，薄膜的太赫兹波透射强度恢复初始状态，在1000次应力加载-释放循环试验后，材料的太赫兹波调制性能仍保持稳定（图2）。这是迄今为止关于太赫兹波调制性能研究报道中最好的效果之一。

图2 TPU/Ni导电高分子薄膜在拉升应变下的(a)太赫兹时域光谱，(b)频域光谱，(c)太赫兹透射强度随拉伸应变的变化趋势，(d)太赫兹波开关循环效果

与其它刚性功能材料不同，这种导电高分子复合材料有望用于实现柔性太赫兹动态功能器件。研究人员展示了一种基于该材料的柔性太赫兹波应力传感。如图3所示，在拉伸应变前后，薄膜的太赫兹波成像结果可以清晰反映应力加载效果。该研究首次将太赫兹调控材料体系拓展到高分子领域，并提出了基于太赫兹技术的柔性应力传感器概念。

图3 基于TPU/Ni导电高分子薄膜的(a)应力驱动太赫兹波调控机制图，及拉伸前(a)、(b)的太赫兹成像效果

以上相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。论文第一作者为四川大学施奇武副教授，目前在加州大学伯克利分校从事访问学者工作，通讯作者为邓华教授，共同通讯作者为中国工程物理研究院朱礼国研究员。

论文链接：

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

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