石墨烯材料在艦船強電磁防護技術中的應用

劉培國，劉翰青，王軻，2

1 國防科技大學電子科學學院，湖南長沙410073

2 中國人民解放軍31437 部隊，遼寧 沈陽110021

0 引 言

現代軍事變革日新月異，各類戰場通信設備的信息化和智能化水平不斷提升，同時也面臨著日趨嚴峻的電磁環境威脅。作為一類能夠準確高效打擊電子通信設備的新型武器，強電磁武器主要包括高功率微波、強電磁脈沖、高能激光等，目前正朝著小型化、脈沖參數可調化、高輻射功率、高機動性方向發展，已成為艦船平臺敏感系統的“頭號殺手”［1］。強電磁武器瞬間釋放的電磁波可以通過敏感電子系統的傳感器、電纜、孔縫等耦合數千伏的峰值電壓或數十千安的峰值電流進入敏感電子設備和系統內部，直接導致內部射頻微波前端模塊中半導體器件和電路的電擊穿、熱熔斷或熱應力破壞，嚴重影響艦船平臺的作戰效能，對艦船平臺敏感電子信息系統構成致命的威脅［2］。因此，研究對強電磁武器具有有效防護效果的新材料、新裝置，提升艦船平臺對強電磁脈沖武器攻擊的防護能力，對于保障艦船裝備的戰場生存能力和作戰效能有著重大的戰略意義。

自2004 年由機械剝離而被發現后，石墨烯由于其自身廣泛而獨特的物理化學性能，受到各個領域的廣泛關注：一是超強的導電能力，由于Klein 隧穿效應的存在，室溫條件下石墨烯電子遷移率可高達傳統半導體電子遷移率的100 多倍；二是超高的硬度，石墨烯是目前已知最堅固的材料之一，實驗室中測得其楊氏模量約為1.0 TPa、斷裂強度約為125 GPa，經石墨烯摻雜后的高分子材料強度可提高數十倍；三是穩定的韌性和延展性，采用彎曲、折疊和卷曲等技術手段，可在不破壞石墨烯結構的前提下有效操縱其表層電子、光學和聲子性能；四是超快的導熱能力，其熱導率為5 300 W·m-1·K-1，且隨著幾何尺寸增大呈指數級增長［3-5］。為此，基于石墨烯獨特的物理性能，針對強電磁武器以及高空核爆等可能產生的各種類型攻擊，本文擬綜述石墨烯光電器件（包括石墨烯光學開關器件、石墨烯太赫茲調制器等）在強電磁武器防護領域的可行性，以及石墨烯復合物吸波材料在艦船雷達隱身技術中的應用前景，進而總結石墨烯材料在艦船強電磁防護技術中的研究價值。

1 石墨烯光電特性

將石墨烯材料用于艦船強電磁防護研究的出發點，是基于石墨烯材料獨特的光電特性。石墨烯是一種二維平面材料，其電磁特性主要由表面電導率來表征。根據Kubo 公式，單層石墨烯的表面電導率表達式［6］為

式中：e 為單位電荷量；? 為約化普朗克常數；ω為角頻率；Γ 為弛豫能量；T 為溫度；kB為玻爾茲曼常數；μc為石墨烯化學勢；σintra和σinter分別代表帶內躍遷和帶間躍遷對石墨烯表面電導率的貢獻。圖1～圖2 為計算所得的石墨烯表面電導率在不同波段下的響應情況，圖中實線為實際值，虛線為虛擬值。在光波段，帶內貢獻與帶間貢獻基本處于相同數量級，均會對石墨烯表面電導率產生影響；而在太赫茲波段，帶內貢獻比帶間貢獻高出了3 個數量級，因此帶內躍遷起到決定性作用，帶間躍遷可忽略不計。

圖1 光波段內帶內和帶間躍遷對石墨烯表面電導率的貢獻Fig.1 Contribution of intraband and interband to the surface conductivity of graphene in optical band

圖2 太赫茲頻段內帶內和帶間躍遷對石墨烯表面電導率的貢獻Fig.2 Contribution of intraband and interband to the surface conductivity of graphene in the terahertz band

除了電學特性外，石墨烯的光學特性同樣引人關注。由于能量與動量間的線性關系，當電子在石墨烯中傳輸時表現出無質量費米子的行為，這種能帶關系使得石墨烯具有量子霍爾效應和室溫下的載流子近彈道傳輸特性［7］。在近紅外波段和可見光范圍內，石墨烯帶間電子躍遷效應占主導地位，與金屬中自由電子的響應類似，可以激發表面等離子激元波并增強其局域響應，因此具有良好的吸波能力。通過計算可得單層石墨烯的光透射率約為97.7%，因此在近紅外波段和可見光范圍內，單層石墨烯的光吸收效率為與波長無關的常量，約為2.3%。當入射光較弱時，石墨烯內電子極化強度與外加電場呈線性關系；而當入射光很強時，石墨烯則呈現出顯著的非線性特性，電子極化強度與外加場有非線性關系［8］。石墨烯的光學非線性特性取決于其三階非線性系數，該系數依賴于單位體積內極化強度與外加電場三次方的比值。基于石墨烯的非線性效應，觀察到許多有價值的現象，如：飽和吸收、四波混頻、雙光子吸收、反飽和吸收、光限幅等［9］。

將石墨烯材料用于艦船強電磁防護研究的關鍵點，是基于石墨烯光電特性的動態可調諧性。在化學摻雜或外加偏置電壓的條件下，石墨烯電導率可實現一定范圍的動態調節，進而改變其光電特性。可調諧性為研究石墨烯光電調制器件提供了重要的理論依據。圖3 為得到的在近紅外和微波波段下石墨烯電學參數與化學勢μc的關系圖。

石墨烯的可調諧性在近紅外波段主要表征為表面電導率可調，而在微波波段主要表征為表面阻抗可調：由圖3（a）可見，近紅外波段內，當μc由0.2 eV 增大至0.8 eV 時，表面電導率實部（藍線）整體呈下降趨勢，且在0.3～0.5 eV 內下降速率較快，而虛部（紅線）則先減小后增大，在0.42 eV 達到極小值；由圖3（b）可見，微波波段內，隨著μc增大，表面阻抗虛部（綠線）逐漸減小且趨于穩定值，而實部（紫線）則幾乎保持不變。通過外加偏置電壓，可以實現對石墨烯化學勢μc的有效調節，偏置電壓Vg與μc具有如下關系［10］

圖3 石墨烯電學參數與化學勢的關系Fig.3 Relationship between graphene surface conductivity，impedance and chemical potential

式中：vF為費米速度；ns為載流子濃度；C 為單位面積有效電容。計算表明，將石墨烯化學勢由0.2 eV 調節至0.8 eV 所需的外加偏置電壓約為20.4 V。為進一步增強石墨烯光電器件的調制靈敏度，可采用化學摻雜引入偏移電壓的方式，有效降低偏置電壓［11］。

2 石墨烯光電器件

高功率微波和強電磁脈沖等強電磁武器通過輻射場強極高的電磁波，達到破壞目標電子信息系統的目的。目前，艦載強電磁武器已經實戰化并不斷小型化、多樣化，對艦船信息化裝備構成了嚴重威脅，而屏蔽、濾波、接地等常規防護手段無法應對從射頻前端進入系統的同頻段強電磁毀傷［12］。另一方面，高能激光武器通過加載先進激光脈沖調制平臺，定向發射高能激光束，可實現對一定距離外作戰目標的打擊與防御，具有重要戰略意義［13］。

本文將首先綜述石墨烯光電器件的研究進展，并介紹目前開展的基于石墨烯光電器件的艦船強電磁防護技術研究現狀。針對天線和射頻前端的防護，研究基于石墨烯超材料的新型太赫茲調制器，為解決艦船電子信息系統遭受多頻段強電磁毀傷問題提供技術支撐。針對海洋戰場環境下高能激光武器攻擊的防護技術，主要聚焦于高能激光束產生的高密度能量和超高溫度，將艦船光敏設備（如光電探測器、紅外儀、高速攝像機等）與石墨烯相結合，開展具有超快響應、高承受閾值、低傳輸損耗等優點的石墨烯光學開關器件及其前端防護裝置的研究。

2.1 石墨烯光電器件研究進展

2.1.1 石墨烯太赫茲器件研究進展

太赫茲波是指頻率介于0.1～10 THz 的電磁波，比微波的方向性更強又比紅外光的損耗更低，因此成為了下一代無線通信的研究熱點。目前，難以有效操縱太赫茲波的傳輸，仍然是太赫茲技術發展所面臨的嚴重挑戰。具有周期性金屬諧振結構的太赫茲超材料可與入射太赫茲波之間產生強烈諧振，因此其成為了太赫茲技術應用的良好載體。Zhang 等［14］設計了一種具有太赫茲吸波性能的石墨烯可調諧超材料吸波體。該吸波體周期單元主要由交叉“十字形”金屬、聚合物介質層、單層石墨烯網格柵條和金屬反射基底等組成，其中石墨烯鋪置于交叉“十字形”金屬與介質層之間。在上、下金屬面接入柵極電壓，可有效調節石墨烯化學勢。該超材料的峰值頻率調諧范圍為15%，峰吸收性能近乎完美。因此，該吸波體可靈活控制太赫茲波吸收譜和極化狀態，非常適合用于太赫茲射頻互連器件的研發。

在中紅外和太赫茲波段，石墨烯與入射電磁波耦合時會表現出強半金屬性并產生強烈的表面等離子體共振效應，且比貴重金屬具有更低的損耗和更大的帶寬。Xiao 等［15］設計了一種結構簡單的石墨烯太赫茲吸波體。該吸波體表面為刻蝕成圓孔缺陷陣列的單層石墨烯，下層為介質層和金屬底板。改變圓孔半徑、陣列周期、石墨烯化學勢等參數，均可有效調節石墨烯表面等離子體激元，進而調節吸波體的吸收性能。該結構在下一代具有可調諧光譜和極化選擇性能的太赫茲探測器中具有潛在的應用價值。

波導在偏振器、開關轉換器、光電調制器等領域有著廣泛的應用。He 等［16］將雙層石墨烯分別放置于波導的上、下端面，設計了一種新型太赫茲可調諧波導，并采用有限元法和傳遞矩陣法對該波導的傳輸特性進行仿真計算。結果表明，隨著石墨烯化學勢增加，有效指數減小，損耗增大。通過在波導上、下端面施加柵極電壓，可以有效調節波導的傳播特性，傳輸損耗的調制深度可達90%以上。因此這項研究可用于設計新型傳感器、調制器和極化器等離子體器件。

由于石墨烯本身具有優良表面等離子體激元特性，因此電磁波可以被束縛在石墨烯表面并進行低損耗傳輸。Lu 等［17］提出采用外加偏置的方式來調控石墨烯表面等離子體激元的傳輸特性，并設計了一種石墨烯平面波導開關結構。該開關由1 個“Y 字型”雙通道石墨烯平面波導和分別位于2 個輸出端的石墨烯諧振圓環組成。實驗結果表明，改變石墨烯諧振圓環的化學勢可以使電磁波從不同端口輸出，實現良好的開關轉換特性。

2.1.2 石墨烯光子晶體研究現狀

單層石墨烯對入射光的吸收率約為2.3%，雖然這個值與有耗吸波材料相比并不算高，但是考慮到石墨烯僅有單層原子厚度，仍然可以認為石墨烯具有良好的吸光特性。光子晶體是由介電常數不同的介質在一維、二維或者三維空間內依次交替排布形成的人工周期材料，具有光子帶隙、負折射率、表面等離子體、群速度異常、窄帶傳輸、寬帶反射、慢光效應等優良的光學特性，在Fano 濾波器、薄膜反射器、激光器、非線性光學等領域都有著極為重要的研究意義。將石墨烯與光子晶體結合，既可以發揮光子晶體的一般特性，又能兼顧石墨烯材料良好的吸光特性和可調諧特性。石墨烯材料目前已廣泛應用于各類光子晶體器件設計。

Vincenti 等［18］設計了一種包含石墨烯缺陷層的一維光子晶體結構。該結構利用石墨烯的吸光特性和光子晶體缺陷的幾何不對稱性，實現了窄帶、可調諧、接近于100%的吸收效果。通過調節光子晶體的結構參數，有效抑制了石墨烯三階非線性效應，將單層石墨烯的非線性飽和閾值降低了2個數量級，提高了三次諧波的轉換率。Pan等［19］設計了一種基于單層石墨烯-硅波導的混合調制器，該結構由一個緊湊的二維光子晶體納米梁腔耦合到一個總線波導上，并在上層鋪設單層石墨烯。通過電調制石墨烯的化學勢，可以改變波導的品質因子和共振波長，從而實現對入射光的有效調節。該結構是一種高效的光電調制器，在基于波分復用器的多路光纖通信系統研究中有重要應用價值。

石墨烯熱導率極高，是一種良導熱體，最近陸續發表了有關石墨烯溫控光子晶體器件研究的文獻。Yan 等［20］設計了一種基于石墨烯材料的慢光硅二維光子晶體波導。單層石墨烯作為微加熱器覆蓋于光子晶體波導上，通過加熱石墨烯可以促進其與波導內入射光相互作用，使波導的傳輸特性發生改變。實驗結果表明，石墨烯作為一種高效加熱器，其調諧效率高達1.07 nm/mW，且實現調制的升溫和降溫過程僅為750 和525 ns，是目前已知調制速度最快的光子微加熱器。

2.2 石墨烯光電器件設計

2.2.1 石墨烯太赫茲器件設計

目前，強電磁武器技術越來越成熟，其輻射波形正從單一強電磁脈沖向著多種脈沖組合的方向發展，具有輻射波形可調制、場強分布密集、工作頻帶覆蓋范圍廣等特征，因此艦載衛星通信接收機等射頻前端裝置所處的電磁環境日益嚴峻。超材料是具有超常物理性質的人工電磁材料，將石墨烯與太赫茲超材料相結合，利用石墨烯在外加偏置電壓下電導率的可調諧性，可開展具有頻率選擇機制的新型空間防護技術研究。圖4 給出了我們設計的石墨烯太赫茲調制器結構示意圖，主要包括表面金屬開環、SiO2介質層、單層石墨烯和Si 基底，其中，h3，h2，hg和h1分別為金屬、SiO2介質、石墨烯和Si 厚度；W1為該調制器單元邊長；W2為表面金屬結構邊長；W3為位于中央的金屬開環邊長。圖5 為該石墨烯太赫茲調制器的傳輸系數和反射系數的仿真結果。

在圖5（a）所示的傳輸譜中，2.2 和5.4 THz 處分別出現了2 個諧振峰，其中諧振峰2 為該調制器的主要諧振峰。在圖5（b）所示的反射譜中，僅3.0 THz 處出現了單一諧振峰。當化學勢由0.1 eV增大至0.5 eV 時，傳輸峰值頻率由5.32 THz 增加至5.49 THz，而反射峰值頻率由2.44 THz 增加至3.39 THz；同時傳輸峰值由-33.8 dB增加至-25.5 dB，而反射峰值由-12.9 dB 增加至-7.6 dB。

圖4 石墨烯太赫茲調制器結構示意圖Fig.4 Structure of graphene terahertz modulator

圖5 在不同化學勢下石墨烯太赫茲調制器的傳輸譜與反射譜Fig.5 Transmission spectrum and reflection spectrum of graphene terahertz modulator under different chemical potential

由此可見，調節化學勢可以顯著改變石墨烯的電學特性，進而改變復合太赫茲超材料對入射波的諧振特性。通過合理設計，將石墨烯太赫茲調制器加載于艦船通信設備前端，在正常狀態下工作信號可通過調制器進入射頻通道，而在攻擊狀態下調制器對強電磁波具有屏蔽效果，有效保護接收裝置。目前，太赫茲波段的超材料主要調節的是石墨烯電導率，而大部分艦載通信設備的工作頻段均為微波段，因此可以通過調節石墨烯阻抗，研發具有選擇機制的超材料前端防護裝置。

2.2.2 石墨烯光子晶體設計

圖6 給出了我們設計的石墨烯光子晶體波導開關結構示意圖。該器件主要由光波導、光子晶體波導（photonics crystal waveguide，PCW）、多層石墨烯和SiO2基板構成，采用多層石墨烯可提高整個開關裝置的承受閾值。其中，W4和h4分別為光波導的寬度和厚度；W5為光子晶體波導的厚度；W6為光子晶體波導與光波導的間距；d 為空氣腔的間距；r 為空氣腔的半徑；r1，r2，…，r6為波導缺陷部分空氣腔半徑；d1，d2，…，d5為缺陷部分空氣腔的間距；rg為石墨烯堆棧位于缺陷部分中央的空氣腔的半徑。多層石墨烯結構的表面覆蓋了一層n 型摻雜硅片，厚度為h5。饋電回路一端接于此摻雜硅片上，另一端接于SiO2基底上，因此外加偏置電壓可經過饋電回路有效調節石墨烯化學勢。

圖6 石墨烯波導開關結構示意圖Fig.6 Structure of graphene switching

圖7（a）給出了在不同石墨烯化學勢下，該波導開關在1 645～1 665 nm 波段內的傳輸譜。當μc=0.8 eV 時，在透射譜的通帶內傳輸損耗相對較小，光波導的傳輸率可達80%以上；而在1 658.6 nm 處，光波導的傳輸率幾乎下降至零。隨著化學勢的減小，共振波長由1 658.5 nm 逐漸減小至1 654.1 nm。圖7（b）給出了該結構的吸收譜曲線圖，當化學勢由0.8 eV 減小至0.4 eV 時，吸收峰峰值由24.81%增大逐漸至51.27%。與此同時，吸收峰波長與波導共振波長基本保持一致，這表明當光波導與PCW 發生耦合共振時，大部分入射光會耦合進入缺陷腔并被多層石墨烯吸收。由此可見，石墨烯波導開關在外加偏置電壓條件下能夠實現開關轉換功能，當強激光入射時，可以通過改變波導傳輸特性使大部分入射能量通過耦合作用被石墨烯吸收，防止艦船前端光敏設備由于吸收強激光而導致高溫過熱并損毀失效，能夠起到良好的防護效果。

3 石墨烯吸波材料研究進展

石墨烯較高的介電常數以及外層電子易極化弛豫的特性使其可作為潛在的介電損耗基材，應用于艦船通信設備的吸波材料。2011 年，英國巴斯大學研究人員首次采用改性Hummers 方法，通過化學還原制得石墨烯，在7 GHz 頻點處實現了-6.9 dB 的吸波強度［21］。目前，石墨烯吸波材料研究已有許多相關報道，其中大部分均采用化學氧化還原法制備，其表面存在大量缺陷以及殘留氧化官能團，能夠顯著增強阻抗匹配，提高吸波性能。

圖7 不同化學勢下石墨烯波導開關的傳輸譜與吸收譜Fig.7 Transmission spectrum and absorption spectrum of graphene switching under different chemical potential

單層石墨烯對電磁波的總體衰減效果仍然相對較弱，這與其吸波機制單一有關。因此將石墨烯與不同吸波機制的基材復合，是當前研究石墨烯吸波材料的一個發展趨勢。根據基材組成的不同，可將石墨烯復合吸波材料分為石墨烯-金屬納米復合材料、石墨烯-聚合物納米復合材料和石墨烯-金屬-聚合物三元納米復合材料，其中石墨烯含量、材料厚度和基材種類都會對吸波特性產生顯著影響［22］。林帥等［23］用熱溶法制備了一種獨特的Fe3O4空心球/石墨烯氧化物復合吸波材料，與石墨烯氧化物和純Fe3O4納米粒子相比，這種新型復合物擁有更寬吸波波段和更強吸收效果。實驗結果表明，該復合物（濃度30%）的吸收強度在12.9 GHz 時可達-24 dB，并且在反射損耗大于-10 dB時擁有4.9 GHz的吸收帶寬（10.8～15.7 GHz）。邱蘭等［24］合成了基于氧化石墨烯、導電聚合物和Co3O4納米顆粒的三元復合材料，由于Co3O4的偶極極化、電子自旋和電介質極化，氧化石墨烯和Co3O4之間會有互補作用并且會形成固態電荷轉移絡合物。實驗結果表明，該復合材料的最小反射損耗為-46.5 dB，在厚度為3.3，3.2 和3.1 mm時，其反射損耗小于-10 dB 的吸收帶寬分別為4.3，6.4 和2.1 GHz。

除了良好的吸波特性以外，石墨烯在研制用于艦船雷達隱身技術的防腐材料領域也有著巨大潛力，這是由于石墨烯穩定的sp2雜化結構使其能在金屬與活性介質間形成物理阻隔層［25］。隱身材料的金屬-聚合物復合涂層易破損刮劃，從而使得隱身材料會由其損傷處加速腐蝕，而石墨烯表面有極高的強度和較低的摩擦性能，能夠有效提高復合涂層的耐磨性，進而起到保護涂層、增強耐腐蝕性的功效。

4 結 語

針對復雜海洋戰場環境下艦船電子信息系統面臨的強電磁武器攻擊的威脅，基于石墨烯材料所具有的優良光電特性以及獨特可調諧性能，本文介紹了基于石墨烯材料的新型強電磁防護技術，綜述了石墨烯光電器件、石墨烯隱身吸波材料的研究進展，并展示了本課題組在石墨烯太赫茲調制器和石墨烯光子晶體等領域的研究成果。石墨烯材料在近紅外、太赫茲和微波等多頻段中，均可結合具體器件，開展強電磁防護新型技術研究，具有極高潛力和應用價值，對于提高艦船電子信息系統的電磁環境適應力、保障打贏信息化條件下的海洋戰爭有著重要意義。