关键词：多层石墨烯 可调发射率 热辐射 离子液体

动态调控材料的红外发射率对于热管理、红外成像、红外伪装等应用具有重要意义。相对于相变材料、铁电材料而言，能带具有线性色散关系的石墨烯在可见光到红外波段的光响应调控方面展现出巨大的潜力。厦门大学二维材料与物性调控研究课题组已经应用如图1a所示三明治结构器件，通过静电门控离子插层方式调控多层石墨烯掺杂程度，改变石墨烯费米能级从而控制其光学吸收/发射特性。【ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 26256 (2021)】然而现有研究仅分析了离子液体种类、石墨烯层厚等因素对红外辐射调控性能的影响，尚未系统分析离子插层的动力学过程，导致调控性能不佳（如仅能实现高、低两种发射率状态的稳定控制，调控的空间均匀性较差）。

近期，课题组采用自制的光电同步测试系统，分析离子插层中的瞬态过程，揭示欧姆极化、电化学极化和浓差极化等因素对于电荷转移的影响，证明发射率与离子液体向多层石墨烯转移的电荷量密切相关。采用脉冲电压稳定且连续调控多层石墨烯红外发射率，如图1b所示，实现具有波长选择性的发射率调制，例如在大气窗口（8 ~ 14 μm）的发射率调制范围比非大气窗口（5 ~ 8 μm）大40%。在此基础上，构建了如图2所示的阵列式热图像模拟系统，有助于提升被动式辐射制冷、主动式红外伪装等应用的效能。【Appl. Phys. Lett. 121, 042204 (2022)，该论文同时被编辑部选为Featured Article】

图1 (a)发射率调制器的结构示意图

(b)红外发射率的连续稳定调控

图2 阵列式石墨烯基热图像模拟系统

同时，课题组探究了乙醇、丙酮等有机溶剂对离子液体物性的影响。伏安特性、拉曼光谱等表征结果表明，添加适量有机溶剂可以显著提高混合溶液电导率。这主要源于在离子液体中引入极性分子（如乙醇）降低了离子之间的相互作用强度，使得离子液体内的离子从连续网络转变为离子对形态，从而减小离子液体的粘度，改善离子输运性能。采用此方法不仅显著提高了发射率调制的空间均匀性（如图3a所示），而且增强了调制深度、动态响应等性能（如图3b所示）。这有力地拓展了可供选择的离子液体种类，并且为器件性能优化提供了新思路。【Appl. Phys. Lett. 120, 243504 (2022)】

图3 (a)添加乙醇前后的红外辐射调控效果

(b)电流与调制深度和动态响应的相关性

上述研究工作揭示了离子输运和电荷转移影响石墨烯基红外发射率调制器性能的机理，发现了制约器件性能的关键因素，为提升红外辐射调制性能提供了新思路。

相关成果分别以“Impact of molecular components on performance of multilayer graphene-based infrared emissivity modulator”和“Continuously adjusting infrared emissivity of multilayer graphene using pulse voltage”为题发表在Applied Physics Letters上。论文第一作者分别为张宇锋副教授和硕士生柯海波、李俊肖，通讯作者为张学骜教授和张宇锋副教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1063/5.0097144

https://doi.org/10.1063/5.0100282