石墨烯材料在舰船强电磁防护技术中的应用

刘培国，刘翰青，王轲，2

1 国防科技大学电子科学学院，湖南长沙410073

2 中国人民解放军31437 部队，辽宁 沈阳110021

0 引 言

现代军事变革日新月异，各类战场通信设备的信息化和智能化水平不断提升，同时也面临着日趋严峻的电磁环境威胁。作为一类能够准确高效打击电子通信设备的新型武器，强电磁武器主要包括高功率微波、强电磁脉冲、高能激光等，目前正朝着小型化、脉冲参数可调化、高辐射功率、高机动性方向发展，已成为舰船平台敏感系统的“头号杀手”［1］。强电磁武器瞬间释放的电磁波可以通过敏感电子系统的传感器、电缆、孔缝等耦合数千伏的峰值电压或数十千安的峰值电流进入敏感电子设备和系统内部，直接导致内部射频微波前端模块中半导体器件和电路的电击穿、热熔断或热应力破坏，严重影响舰船平台的作战效能，对舰船平台敏感电子信息系统构成致命的威胁［2］。因此，研究对强电磁武器具有有效防护效果的新材料、新装置，提升舰船平台对强电磁脉冲武器攻击的防护能力，对于保障舰船装备的战场生存能力和作战效能有着重大的战略意义。

自2004 年由机械剥离而被发现后，石墨烯由于其自身广泛而独特的物理化学性能，受到各个领域的广泛关注：一是超强的导电能力，由于Klein 隧穿效应的存在，室温条件下石墨烯电子迁移率可高达传统半导体电子迁移率的100 多倍；二是超高的硬度，石墨烯是目前已知最坚固的材料之一，实验室中测得其杨氏模量约为1.0 TPa、断裂强度约为125 GPa，经石墨烯掺杂后的高分子材料强度可提高数十倍；三是稳定的韧性和延展性，采用弯曲、折叠和卷曲等技术手段，可在不破坏石墨烯结构的前提下有效操纵其表层电子、光学和声子性能；四是超快的导热能力，其热导率为5 300 W·m-1·K-1，且随着几何尺寸增大呈指数级增长［3-5］。为此，基于石墨烯独特的物理性能，针对强电磁武器以及高空核爆等可能产生的各种类型攻击，本文拟综述石墨烯光电器件（包括石墨烯光学开关器件、石墨烯太赫兹调制器等）在强电磁武器防护领域的可行性，以及石墨烯复合物吸波材料在舰船雷达隐身技术中的应用前景，进而总结石墨烯材料在舰船强电磁防护技术中的研究价值。

1 石墨烯光电特性

将石墨烯材料用于舰船强电磁防护研究的出发点，是基于石墨烯材料独特的光电特性。石墨烯是一种二维平面材料，其电磁特性主要由表面电导率来表征。根据Kubo 公式，单层石墨烯的表面电导率表达式［6］为

式中：e 为单位电荷量；ℏ 为约化普朗克常数；ω为角频率；Γ 为弛豫能量；T 为温度；kB为玻尔兹曼常数；μc为石墨烯化学势；σintra和σinter分别代表带内跃迁和带间跃迁对石墨烯表面电导率的贡献。图1～图2 为计算所得的石墨烯表面电导率在不同波段下的响应情况，图中实线为实际值，虚线为虚拟值。在光波段，带内贡献与带间贡献基本处于相同数量级，均会对石墨烯表面电导率产生影响；而在太赫兹波段，带内贡献比带间贡献高出了3 个数量级，因此带内跃迁起到决定性作用，带间跃迁可忽略不计。

图1 光波段内带内和带间跃迁对石墨烯表面电导率的贡献Fig.1 Contribution of intraband and interband to the surface conductivity of graphene in optical band

图2 太赫兹频段内带内和带间跃迁对石墨烯表面电导率的贡献Fig.2 Contribution of intraband and interband to the surface conductivity of graphene in the terahertz band

除了电学特性外，石墨烯的光学特性同样引人关注。由于能量与动量间的线性关系，当电子在石墨烯中传输时表现出无质量费米子的行为，这种能带关系使得石墨烯具有量子霍尔效应和室温下的载流子近弹道传输特性［7］。在近红外波段和可见光范围内，石墨烯带间电子跃迁效应占主导地位，与金属中自由电子的响应类似，可以激发表面等离子激元波并增强其局域响应，因此具有良好的吸波能力。通过计算可得单层石墨烯的光透射率约为97.7%，因此在近红外波段和可见光范围内，单层石墨烯的光吸收效率为与波长无关的常量，约为2.3%。当入射光较弱时，石墨烯内电子极化强度与外加电场呈线性关系；而当入射光很强时，石墨烯则呈现出显著的非线性特性，电子极化强度与外加场有非线性关系［8］。石墨烯的光学非线性特性取决于其三阶非线性系数，该系数依赖于单位体积内极化强度与外加电场三次方的比值。基于石墨烯的非线性效应，观察到许多有价值的现象，如：饱和吸收、四波混频、双光子吸收、反饱和吸收、光限幅等［9］。

将石墨烯材料用于舰船强电磁防护研究的关键点，是基于石墨烯光电特性的动态可调谐性。在化学掺杂或外加偏置电压的条件下，石墨烯电导率可实现一定范围的动态调节，进而改变其光电特性。可调谐性为研究石墨烯光电调制器件提供了重要的理论依据。图3 为得到的在近红外和微波波段下石墨烯电学参数与化学势μc的关系图。

石墨烯的可调谐性在近红外波段主要表征为表面电导率可调，而在微波波段主要表征为表面阻抗可调：由图3（a）可见，近红外波段内，当μc由0.2 eV 增大至0.8 eV 时，表面电导率实部（蓝线）整体呈下降趋势，且在0.3～0.5 eV 内下降速率较快，而虚部（红线）则先减小后增大，在0.42 eV 达到极小值；由图3（b）可见，微波波段内，随着μc增大，表面阻抗虚部（绿线）逐渐减小且趋于稳定值，而实部（紫线）则几乎保持不变。通过外加偏置电压，可以实现对石墨烯化学势μc的有效调节，偏置电压Vg与μc具有如下关系［10］

图3 石墨烯电学参数与化学势的关系Fig.3 Relationship between graphene surface conductivity，impedance and chemical potential

式中：vF为费米速度；ns为载流子浓度；C 为单位面积有效电容。计算表明，将石墨烯化学势由0.2 eV 调节至0.8 eV 所需的外加偏置电压约为20.4 V。为进一步增强石墨烯光电器件的调制灵敏度，可采用化学掺杂引入偏移电压的方式，有效降低偏置电压［11］。

2 石墨烯光电器件

高功率微波和强电磁脉冲等强电磁武器通过辐射场强极高的电磁波，达到破坏目标电子信息系统的目的。目前，舰载强电磁武器已经实战化并不断小型化、多样化，对舰船信息化装备构成了严重威胁，而屏蔽、滤波、接地等常规防护手段无法应对从射频前端进入系统的同频段强电磁毁伤［12］。另一方面，高能激光武器通过加载先进激光脉冲调制平台，定向发射高能激光束，可实现对一定距离外作战目标的打击与防御，具有重要战略意义［13］。

本文将首先综述石墨烯光电器件的研究进展，并介绍目前开展的基于石墨烯光电器件的舰船强电磁防护技术研究现状。针对天线和射频前端的防护，研究基于石墨烯超材料的新型太赫兹调制器，为解决舰船电子信息系统遭受多频段强电磁毁伤问题提供技术支撑。针对海洋战场环境下高能激光武器攻击的防护技术，主要聚焦于高能激光束产生的高密度能量和超高温度，将舰船光敏设备（如光电探测器、红外仪、高速摄像机等）与石墨烯相结合，开展具有超快响应、高承受阈值、低传输损耗等优点的石墨烯光学开关器件及其前端防护装置的研究。

2.1 石墨烯光电器件研究进展

2.1.1 石墨烯太赫兹器件研究进展

太赫兹波是指频率介于0.1～10 THz 的电磁波，比微波的方向性更强又比红外光的损耗更低，因此成为了下一代无线通信的研究热点。目前，难以有效操纵太赫兹波的传输，仍然是太赫兹技术发展所面临的严重挑战。具有周期性金属谐振结构的太赫兹超材料可与入射太赫兹波之间产生强烈谐振，因此其成为了太赫兹技术应用的良好载体。Zhang 等［14］设计了一种具有太赫兹吸波性能的石墨烯可调谐超材料吸波体。该吸波体周期单元主要由交叉“十字形”金属、聚合物介质层、单层石墨烯网格栅条和金属反射基底等组成，其中石墨烯铺置于交叉“十字形”金属与介质层之间。在上、下金属面接入栅极电压，可有效调节石墨烯化学势。该超材料的峰值频率调谐范围为15%，峰吸收性能近乎完美。因此，该吸波体可灵活控制太赫兹波吸收谱和极化状态，非常适合用于太赫兹射频互连器件的研发。

在中红外和太赫兹波段，石墨烯与入射电磁波耦合时会表现出强半金属性并产生强烈的表面等离子体共振效应，且比贵重金属具有更低的损耗和更大的带宽。Xiao 等［15］设计了一种结构简单的石墨烯太赫兹吸波体。该吸波体表面为刻蚀成圆孔缺陷阵列的单层石墨烯，下层为介质层和金属底板。改变圆孔半径、阵列周期、石墨烯化学势等参数，均可有效调节石墨烯表面等离子体激元，进而调节吸波体的吸收性能。该结构在下一代具有可调谐光谱和极化选择性能的太赫兹探测器中具有潜在的应用价值。

波导在偏振器、开关转换器、光电调制器等领域有着广泛的应用。He 等［16］将双层石墨烯分别放置于波导的上、下端面，设计了一种新型太赫兹可调谐波导，并采用有限元法和传递矩阵法对该波导的传输特性进行仿真计算。结果表明，随着石墨烯化学势增加，有效指数减小，损耗增大。通过在波导上、下端面施加栅极电压，可以有效调节波导的传播特性，传输损耗的调制深度可达90%以上。因此这项研究可用于设计新型传感器、调制器和极化器等离子体器件。

由于石墨烯本身具有优良表面等离子体激元特性，因此电磁波可以被束缚在石墨烯表面并进行低损耗传输。Lu 等［17］提出采用外加偏置的方式来调控石墨烯表面等离子体激元的传输特性，并设计了一种石墨烯平面波导开关结构。该开关由1 个“Y 字型”双通道石墨烯平面波导和分别位于2 个输出端的石墨烯谐振圆环组成。实验结果表明，改变石墨烯谐振圆环的化学势可以使电磁波从不同端口输出，实现良好的开关转换特性。

2.1.2 石墨烯光子晶体研究现状

单层石墨烯对入射光的吸收率约为2.3%，虽然这个值与有耗吸波材料相比并不算高，但是考虑到石墨烯仅有单层原子厚度，仍然可以认为石墨烯具有良好的吸光特性。光子晶体是由介电常数不同的介质在一维、二维或者三维空间内依次交替排布形成的人工周期材料，具有光子带隙、负折射率、表面等离子体、群速度异常、窄带传输、宽带反射、慢光效应等优良的光学特性，在Fano 滤波器、薄膜反射器、激光器、非线性光学等领域都有着极为重要的研究意义。将石墨烯与光子晶体结合，既可以发挥光子晶体的一般特性，又能兼顾石墨烯材料良好的吸光特性和可调谐特性。石墨烯材料目前已广泛应用于各类光子晶体器件设计。

Vincenti 等［18］设计了一种包含石墨烯缺陷层的一维光子晶体结构。该结构利用石墨烯的吸光特性和光子晶体缺陷的几何不对称性，实现了窄带、可调谐、接近于100%的吸收效果。通过调节光子晶体的结构参数，有效抑制了石墨烯三阶非线性效应，将单层石墨烯的非线性饱和阈值降低了2个数量级，提高了三次谐波的转换率。Pan等［19］设计了一种基于单层石墨烯-硅波导的混合调制器，该结构由一个紧凑的二维光子晶体纳米梁腔耦合到一个总线波导上，并在上层铺设单层石墨烯。通过电调制石墨烯的化学势，可以改变波导的品质因子和共振波长，从而实现对入射光的有效调节。该结构是一种高效的光电调制器，在基于波分复用器的多路光纤通信系统研究中有重要应用价值。

石墨烯热导率极高，是一种良导热体，最近陆续发表了有关石墨烯温控光子晶体器件研究的文献。Yan 等［20］设计了一种基于石墨烯材料的慢光硅二维光子晶体波导。单层石墨烯作为微加热器覆盖于光子晶体波导上，通过加热石墨烯可以促进其与波导内入射光相互作用，使波导的传输特性发生改变。实验结果表明，石墨烯作为一种高效加热器，其调谐效率高达1.07 nm/mW，且实现调制的升温和降温过程仅为750 和525 ns，是目前已知调制速度最快的光子微加热器。

2.2 石墨烯光电器件设计

2.2.1 石墨烯太赫兹器件设计

目前，强电磁武器技术越来越成熟，其辐射波形正从单一强电磁脉冲向着多种脉冲组合的方向发展，具有辐射波形可调制、场强分布密集、工作频带覆盖范围广等特征，因此舰载卫星通信接收机等射频前端装置所处的电磁环境日益严峻。超材料是具有超常物理性质的人工电磁材料，将石墨烯与太赫兹超材料相结合，利用石墨烯在外加偏置电压下电导率的可调谐性，可开展具有频率选择机制的新型空间防护技术研究。图4 给出了我们设计的石墨烯太赫兹调制器结构示意图，主要包括表面金属开环、SiO2介质层、单层石墨烯和Si 基底，其中，h3，h2，hg和h1分别为金属、SiO2介质、石墨烯和Si 厚度；W1为该调制器单元边长；W2为表面金属结构边长；W3为位于中央的金属开环边长。图5 为该石墨烯太赫兹调制器的传输系数和反射系数的仿真结果。

在图5（a）所示的传输谱中，2.2 和5.4 THz 处分别出现了2 个谐振峰，其中谐振峰2 为该调制器的主要谐振峰。在图5（b）所示的反射谱中，仅3.0 THz 处出现了单一谐振峰。当化学势由0.1 eV增大至0.5 eV 时，传输峰值频率由5.32 THz 增加至5.49 THz，而反射峰值频率由2.44 THz 增加至3.39 THz；同时传输峰值由-33.8 dB增加至-25.5 dB，而反射峰值由-12.9 dB 增加至-7.6 dB。

图4 石墨烯太赫兹调制器结构示意图Fig.4 Structure of graphene terahertz modulator

图5 在不同化学势下石墨烯太赫兹调制器的传输谱与反射谱Fig.5 Transmission spectrum and reflection spectrum of graphene terahertz modulator under different chemical potential

由此可见，调节化学势可以显著改变石墨烯的电学特性，进而改变复合太赫兹超材料对入射波的谐振特性。通过合理设计，将石墨烯太赫兹调制器加载于舰船通信设备前端，在正常状态下工作信号可通过调制器进入射频通道，而在攻击状态下调制器对强电磁波具有屏蔽效果，有效保护接收装置。目前，太赫兹波段的超材料主要调节的是石墨烯电导率，而大部分舰载通信设备的工作频段均为微波段，因此可以通过调节石墨烯阻抗，研发具有选择机制的超材料前端防护装置。

2.2.2 石墨烯光子晶体设计

图6 给出了我们设计的石墨烯光子晶体波导开关结构示意图。该器件主要由光波导、光子晶体波导（photonics crystal waveguide，PCW）、多层石墨烯和SiO2基板构成，采用多层石墨烯可提高整个开关装置的承受阈值。其中，W4和h4分别为光波导的宽度和厚度；W5为光子晶体波导的厚度；W6为光子晶体波导与光波导的间距；d 为空气腔的间距；r 为空气腔的半径；r1，r2，…，r6为波导缺陷部分空气腔半径；d1，d2，…，d5为缺陷部分空气腔的间距；rg为石墨烯堆栈位于缺陷部分中央的空气腔的半径。多层石墨烯结构的表面覆盖了一层n 型掺杂硅片，厚度为h5。馈电回路一端接于此掺杂硅片上，另一端接于SiO2基底上，因此外加偏置电压可经过馈电回路有效调节石墨烯化学势。

图6 石墨烯波导开关结构示意图Fig.6 Structure of graphene switching

图7（a）给出了在不同石墨烯化学势下，该波导开关在1 645～1 665 nm 波段内的传输谱。当μc=0.8 eV 时，在透射谱的通带内传输损耗相对较小，光波导的传输率可达80%以上；而在1 658.6 nm 处，光波导的传输率几乎下降至零。随着化学势的减小，共振波长由1 658.5 nm 逐渐减小至1 654.1 nm。图7（b）给出了该结构的吸收谱曲线图，当化学势由0.8 eV 减小至0.4 eV 时，吸收峰峰值由24.81%增大逐渐至51.27%。与此同时，吸收峰波长与波导共振波长基本保持一致，这表明当光波导与PCW 发生耦合共振时，大部分入射光会耦合进入缺陷腔并被多层石墨烯吸收。由此可见，石墨烯波导开关在外加偏置电压条件下能够实现开关转换功能，当强激光入射时，可以通过改变波导传输特性使大部分入射能量通过耦合作用被石墨烯吸收，防止舰船前端光敏设备由于吸收强激光而导致高温过热并损毁失效，能够起到良好的防护效果。

3 石墨烯吸波材料研究进展

石墨烯较高的介电常数以及外层电子易极化弛豫的特性使其可作为潜在的介电损耗基材，应用于舰船通信设备的吸波材料。2011 年，英国巴斯大学研究人员首次采用改性Hummers 方法，通过化学还原制得石墨烯，在7 GHz 频点处实现了-6.9 dB 的吸波强度［21］。目前，石墨烯吸波材料研究已有许多相关报道，其中大部分均采用化学氧化还原法制备，其表面存在大量缺陷以及残留氧化官能团，能够显著增强阻抗匹配，提高吸波性能。

图7 不同化学势下石墨烯波导开关的传输谱与吸收谱Fig.7 Transmission spectrum and absorption spectrum of graphene switching under different chemical potential

单层石墨烯对电磁波的总体衰减效果仍然相对较弱，这与其吸波机制单一有关。因此将石墨烯与不同吸波机制的基材复合，是当前研究石墨烯吸波材料的一个发展趋势。根据基材组成的不同，可将石墨烯复合吸波材料分为石墨烯-金属纳米复合材料、石墨烯-聚合物纳米复合材料和石墨烯-金属-聚合物三元纳米复合材料，其中石墨烯含量、材料厚度和基材种类都会对吸波特性产生显著影响［22］。林帅等［23］用热溶法制备了一种独特的Fe3O4空心球/石墨烯氧化物复合吸波材料，与石墨烯氧化物和纯Fe3O4纳米粒子相比，这种新型复合物拥有更宽吸波波段和更强吸收效果。实验结果表明，该复合物（浓度30%）的吸收强度在12.9 GHz 时可达-24 dB，并且在反射损耗大于-10 dB时拥有4.9 GHz的吸收带宽（10.8～15.7 GHz）。邱兰等［24］合成了基于氧化石墨烯、导电聚合物和Co3O4纳米颗粒的三元复合材料，由于Co3O4的偶极极化、电子自旋和电介质极化，氧化石墨烯和Co3O4之间会有互补作用并且会形成固态电荷转移络合物。实验结果表明，该复合材料的最小反射损耗为-46.5 dB，在厚度为3.3，3.2 和3.1 mm时，其反射损耗小于-10 dB 的吸收带宽分别为4.3，6.4 和2.1 GHz。

除了良好的吸波特性以外，石墨烯在研制用于舰船雷达隐身技术的防腐材料领域也有着巨大潜力，这是由于石墨烯稳定的sp2杂化结构使其能在金属与活性介质间形成物理阻隔层［25］。隐身材料的金属-聚合物复合涂层易破损刮划，从而使得隐身材料会由其损伤处加速腐蚀，而石墨烯表面有极高的强度和较低的摩擦性能，能够有效提高复合涂层的耐磨性，进而起到保护涂层、增强耐腐蚀性的功效。

4 结 语

针对复杂海洋战场环境下舰船电子信息系统面临的强电磁武器攻击的威胁，基于石墨烯材料所具有的优良光电特性以及独特可调谐性能，本文介绍了基于石墨烯材料的新型强电磁防护技术，综述了石墨烯光电器件、石墨烯隐身吸波材料的研究进展，并展示了本课题组在石墨烯太赫兹调制器和石墨烯光子晶体等领域的研究成果。石墨烯材料在近红外、太赫兹和微波等多频段中，均可结合具体器件，开展强电磁防护新型技术研究，具有极高潜力和应用价值，对于提高舰船电子信息系统的电磁环境适应力、保障打赢信息化条件下的海洋战争有着重要意义。