本發(fā)明屬于太赫茲波段的器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于陣列碳管聚合物復(fù)合材料的太赫茲波偏振片的制備方法。

背景技術(shù)：

碳納米管天然的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)使其具有各向異性的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，將其作為太赫茲波段偏振和調(diào)制器件的主要材料進(jìn)行研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值，關(guān)于碳納米管太赫茲偏振器件目前國際上有很多報(bào)道。Lei Ren等報(bào)道了他們制作的藍(lán)寶石襯底上高度水平排列單壁碳納米管太赫茲偏振片的研究，結(jié)果表明此偏振片在具有良好的起偏效果，在0.2～1.8THz范圍內(nèi)偏振度接近于1，在1.8THz時(shí)消光比為10dB，低于工業(yè)上用的線柵結(jié)構(gòu)偏振器的消光比。為了克服較低消光比的缺點(diǎn)，他們后續(xù)的研究報(bào)道了通過將上述碳管偏振片同方向堆疊多次(3次以上)，就可以得到理想的偏振調(diào)制效果：在0.4～2.2THz范圍內(nèi)偏振度為99.9％，消光比大于30dB(達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))；Jiscoo Kyoung等報(bào)道了他們用機(jī)械紡絲的方法在U型聚乙烯框架上纏繞多壁碳納米管，形成厚度可控、水平取向的碳管太赫茲偏振片，此偏振片具有極好的性能，偏振度為99.9％，消光比達(dá)到37dB。從上面的幾個(gè)例子可以得到，取向的單壁和多壁碳納米管都具有較高的各向異性響應(yīng)特性，把他們用來做太赫茲偏振材料，其性能似乎沒有太大差別。然而，M.J.Paul等報(bào)道了他們利用太赫茲透射橢圓偏振法研究了豎直定向的多壁碳納米管在各個(gè)方向上的電導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)在0.4-1.6THz頻率范圍內(nèi)平行于碳管方向上的電導(dǎo)約為垂直于碳管方向上電導(dǎo)的2.3倍，遠(yuǎn)小于預(yù)期值，表現(xiàn)出弱的各向異性，即在垂直于碳管方向上亦存在較強(qiáng)的吸收，他們認(rèn)為其原因來源于多壁碳管內(nèi)部相鄰的層與層之間存在載流子傳輸。以上兩個(gè)研究都是關(guān)于取向多壁碳納米管的太赫茲響應(yīng)，其結(jié)果卻存在較大差異。這種差異是來源于碳管本身結(jié)構(gòu)參數(shù)(如直徑、管壁等)的不同，還是來源于碳管間距離影響的管管間相互作用(范德瓦耳斯力)，尚無定論。可見尋找一種新的物質(zhì)將碳管間的相互作用隔絕顯得尤為重要，目前純碳納米管太赫茲偏振器件還存在一些問題，比如不能進(jìn)行自支撐，而且碳納米管層與層之間會相互影響，這種材料的結(jié)構(gòu)以及由此制備的器件性能也不穩(wěn)定等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種陣列碳管聚合物復(fù)合材料的太赫茲偏振片的制備方法，來有效克制碳納米管間的相互作用。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料，包括陣列碳納米管，其特征在于：所述的陣列碳納米管表面包覆有聚合物層；

所述的聚合物是指對太赫茲透明的環(huán)氧樹脂聚合物，所述的環(huán)氧樹脂聚合物由環(huán)氧樹脂、十二碳琥珀酸酐、甲基內(nèi)次甲基四氫苯二甲酸酐和固化劑組成。

陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：制備垂直陣列碳納米管；

步驟二：將步驟一制得的陣列碳納米管置于聚合物溶液中，在40～50℃下培養(yǎng)48h，然后取出聚合物溶液中的陣列碳納米管干燥，即可獲得陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料。

陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用，陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料用于制備太赫茲偏振片。

陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料太赫茲偏振片的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：制備垂直陣列碳納米管；

步驟二：將步驟一制得的陣列碳納米管置于聚合物溶液中，在40～50℃下培養(yǎng)48h，然后取出聚合物溶液中的陣列碳納米管干燥，即可獲得陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料；

步驟三：將步驟二獲得的陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料沿陣列取向方向切片，即可得陣列碳管聚合物復(fù)合材料太赫茲偏振片；

步驟四：將步驟三制備的陣列碳管聚合物復(fù)合材料太赫茲偏振片水平放置，通過旋轉(zhuǎn)該太赫茲偏振片，測量不同偏振入射角度下太赫茲波的透射情況。

進(jìn)一步的，所述的環(huán)氧樹脂、十二碳琥珀酸酐和甲基內(nèi)次甲基四氫苯二甲酸酐的體積比為：7.5：4：3.5～8.5。

進(jìn)一步的，所述的步驟二中干燥工藝為在50～70℃下保溫48h。

進(jìn)一步的，所述的步驟一的具體步驟為：

將生長碳納米管的襯底清洗烘干，在保護(hù)氣體下將步驟一的襯底加熱至720～750℃，通入碳源和催化劑，反應(yīng)5～10min，反應(yīng)完成后在氬氣氣氛中冷卻至室溫，即可得到垂直陣列碳納米管。

進(jìn)一步的，所述的保護(hù)氣體為氬氣和氫氣的混合氣體，氫氣的總占比為10～30％。

進(jìn)一步的，所述的催化劑為二茂鐵，所述的碳源為乙炔。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明利用聚合物將碳管進(jìn)行包覆，有效克制了碳管之間的相互作用和影響，得到僅有碳管本身結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的太赫茲波段光學(xué)響應(yīng)參數(shù)。

(2)本發(fā)明制備的碳納米管聚合物復(fù)合材料太赫茲偏振片，由于聚合物包覆的固化固定，相比純碳管陣列結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，制備的器件性能也更穩(wěn)定，并且加工安全、可自支撐。

(3)本發(fā)明是基于碳納米管材料制備太赫茲偏振片，因此偏振片具備碳納米管具有優(yōu)良的性能：便于集成到超寬(太赫茲到可見光)光譜光學(xué)器件的能力，由碳管本性決定的寬帶太赫茲吸收特性，較高的機(jī)械強(qiáng)度，制備簡單、抗氧化能力強(qiáng)。

附圖說明

圖1為制備陣列碳納米管的實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖2為本發(fā)明制備的陣列碳納米管SEM圖。

圖3為本發(fā)明陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料示意圖和SEM圖。

圖4為本發(fā)明陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料太赫茲偏振片的制備方法和使用方法原理示意圖。

以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)解釋說明。

具體實(shí)施方式

以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施例，凡在本申請技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例給出一種陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料太赫茲偏振片的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟一：制備垂直陣列碳納米管；

利用圖1所示的裝置，將生長碳納米管的二氧化硅襯底在酒精中超聲、清洗、烘干，將襯底置于管式爐的恒溫區(qū)，在氬氣和氫氣的混合保護(hù)氣體下將步驟一的襯底加熱至720～750℃，通入碳源和催化劑，反應(yīng)5～10min，即可得到垂直陣列碳納米管，如圖2所示；混合保護(hù)氣體為中氫氣的總占比為10～30％，催化劑為溶解于二甲苯的二茂鐵，碳源為乙炔。

步驟二：將配好的聚合物溶液放入40℃恒溫箱去泡2h，然后將步驟一制備好的垂直陣列碳管放入聚合物中，在恒溫箱中加熱至40～50℃培養(yǎng)48h；然后將充分浸潤的碳管陣列從聚合物溶液中取出，放入恒溫干燥箱，在50～70℃下保持48h蒸發(fā)掉溶劑，即可形成由聚合物層包裹的垂直陣列碳納米管復(fù)合材料，如圖3所示；

具體的，聚合物為對太赫茲透明的環(huán)氧樹脂聚合物，由環(huán)氧樹脂、十二碳琥珀酸酐、甲基內(nèi)次甲基四氫苯二甲酸酐和固化劑組成，

所述的環(huán)氧樹脂、十二碳琥珀酸酐和甲基內(nèi)次甲基四氫苯二甲酸酐的體積比為：7.5：4：3.5～8.5，固化劑的量為8滴，固化劑選用苯酚。

對太赫茲透明的環(huán)氧樹脂的配置方法為：將環(huán)氧樹脂(Epon812)和十二碳琥珀酸酐(DDSA)按配比關(guān)系混合得到甲溶液；將環(huán)氧樹脂(Epon812)和甲基內(nèi)次甲基四氫苯二甲酸酐(MNA)按配比關(guān)系混合得到乙溶液，將甲溶液和乙溶液混合后滴入8滴苯酚，得到對太赫茲透明的環(huán)氧樹脂。

步驟三：步驟二獲得的陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料用于制備太赫茲偏振片，具體為：

使用微切片機(jī)將步驟二獲得的垂直陣列碳納米管聚合物復(fù)合材料沿陣列取向方向切成2～5μm的薄片，即可得陣列碳管聚合物復(fù)合材料太赫茲偏振片；

步驟四：將步驟三制備的陣列碳管聚合物復(fù)合材料太赫茲偏振片水平放置，通過旋轉(zhuǎn)該太赫茲偏振片，測量不同偏振入射角度下太赫茲波的透射情況。

實(shí)施例2

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于：襯底加熱至750℃，反應(yīng)時(shí)間為6min，保護(hù)氣體的總流速為1L/min,氫氣比例20％，催化劑濃度為0.06g/ml；

對太赫茲透明的環(huán)氧樹脂中：甲溶液包括2.5ml的Epon812和4ml的DDSA，乙溶液包括4ml的Epon812和3.5ml的MNA，將甲溶液和乙溶液混合后滴入8滴苯酚；

步驟二中的垂直陣列碳管在聚合物中的培養(yǎng)溫度為50℃。

本實(shí)施例的偏振片的偏振度為99％，消光比32dB。

實(shí)施例3

本實(shí)施例與實(shí)施例2的區(qū)別在于：襯底加熱至720℃，反應(yīng)時(shí)間為10min，保護(hù)氣體的總流速為1L/min，氫氣比例30％，催化劑濃度為0.06g/ml；

對太赫茲透明的環(huán)氧樹脂中：甲溶液包括2.5ml的Epon812和4ml的DDSA，乙溶液包括5ml的Epon812和4.5ml的MNA，將甲溶液和乙溶液混合后滴入8滴苯酚；

步驟二中的垂直陣列碳管在聚合物中的培養(yǎng)溫度為40℃。

本實(shí)施例的偏振片的偏振度為95％，消光比為29dB。

實(shí)施例4

本實(shí)施例與實(shí)施例2的區(qū)別在于：襯底加熱至730℃，反應(yīng)時(shí)間為5min，保護(hù)氣體的總流速為1L/min，氫氣比例10％，催化劑濃度為0.06g/ml；

對太赫茲透明的環(huán)氧樹脂中：甲溶液包括2.5ml的Epon812和4ml的DDSA，乙溶液包括6ml的Epon812和5.5ml的MNA，將甲溶液和乙溶液混合后滴入8滴苯酚；

步驟二中的垂直陣列碳管在聚合物中的培養(yǎng)溫度為40℃。

本實(shí)施例的偏振片的偏振度為92％，消光比為25dB。