郑大李新亮亮点评述：MXene基薄膜在近全段实现太赫兹波吸收理论强度

研究背景

导电媒质内部有着大量能自由运动的带电粒子，当电磁波在导电媒质中传播时，必然有电场所致传导电流产生(J=σE)，同时这也将导致电磁能量损耗。导电媒质的电导(阻抗)与电磁波的导电损耗吸收强度密切相关，而其吸收带宽往往取决于材料电导色散特性。

对于太赫兹频段而言，在自然界中绝大部分导电媒质的太赫兹电导具有强色散特性，这是因为其电子的弛豫时间远大于低色散所需的10 fs量级。虽然以石墨烯、MoS2、拓扑绝缘体等为代表的一系列二维材料大多可实现对太赫兹波的高吸收。但由于其太赫兹电导大幅变化的特性，其吸收带宽仍然较窄，可实现高吸收的波段往往低于2 THz，而在太赫兹全频段实现对太赫兹波的本征极限吸收依旧是该领域研究的热点和难点。来自中国电子科技大学的肖旭团队实现了MXene基导电薄膜在近全段太赫兹频段的理论本征吸收极限，并在此基础上构建了一个全新的交流阻抗匹配模型，揭示了MXene的电子浓度与弛豫时间对极限吸收的关键作用，并推测这项研究在太赫兹技术领域有着广泛的应用前景。

本文亮点

MXene导电薄膜在0.5-10太赫兹的极宽波段内具有接近理论的吸收强度。

内容简介

导电媒质的阻抗与电磁波的导电损耗吸收强度密切相关，其吸收带宽往往取决于材料电导色散特性。对于太赫兹波而言，自然界中绝大部分导电媒质的太赫兹电导具有强色散、窄吸收宽带的特性，在太赫兹全频段实现对其的高强度吸收依旧是该领域研究的热点和难点。最近，来自中国电子科技大学的肖旭团队实现了MXene基导电薄膜在近全段太赫兹频段的理论本征吸收极限，并在此基础上提出了一个全新的交流阻抗匹配模型。郑州大学李新亮等对该工作进行了简要的评述并提出了进一步的研究方向。

图文导读

I 不同厚度Mxene薄膜的吸收表现及电子转移机理过程

近些年，随着二维过渡金属碳化物和氮化物MXene的快速发展，具有高度可加工性，高载流子浓度和超短电子弛豫时间的Ti₃C₂Tₓ材料在电磁屏蔽与吸收领域得到了广泛关注与研究。

该团队发现少层Ti₃C₂Tₓ MXene薄膜可实现在超宽太赫兹频段(0.5-10 THz)的接近理论极限(50%)的本征吸收。经研究发现，相较于经典自由电子近似模型(Drude模型)，更符合修正自由电子近似模型(Drude-Smith模型)的Ti₃C₂Tₓ材料展现了在太赫兹近全频段几乎一致的电导特性。通过分析不同厚度的Mxene膜的太赫兹电导变化规律，研究人员揭示了物质的电子浓度和弛豫时间与太赫兹本征吸收带宽和强度的构效关系(图1a，b)，证明了影响Ti₃C₂Tₓ MXene薄膜达到太赫兹宽带本征高吸收的关键因素是兼具短的弛豫时间和高电子浓度。

此外，研究人员基于测量的太赫兹电导率构建了一个等效的交流阻抗匹配模型，来解释不同电流模式下材料阻抗存在巨大差异的原因(图1 c)，并将这种差异归因于不同的电子转移机制：当入射太赫兹电磁波遇到Ti₃C₂Tₓ MXene薄片时，由于Ti₃C₂Tₓ MXene薄片的横向尺寸大于电子的扩散长度，因此大多数自由电子倾向于在薄片内部进行传导。而其当遇到晶格缺陷和薄片边界时，自由电子倾向于在薄片之间进行散射和跳跃。因此，太赫兹传导是由片内传输主导的，其散射行为具有明显的尺寸效应。其中，较小的片状尺寸和丰富的边界增强了散射的可能性。然而在实际测试中，直流电测试需要的电极间距远远超过单个Ti₃C₂Tₓ MXene薄片的横向尺寸。因此，在直流电测试条件下，太赫兹传导是由片间传输模型主导的。这一解释对传统的直流阻抗匹配模型提出了挑战，并验证了交流阻抗匹配模型更适合解释Ti₃C₂Tₓ Mxene薄膜和太赫兹电磁波之间的强相互作用。

总的来说，这项工作标志着太赫兹吸收技术的重大进步，并且所提出的交流阻抗匹配模型大大改进了现有的理论框架。同时，由于Ti₃C₂Tₓ MXene薄膜具有的制造具有成本效益，简单，易于扩展的特点，其所展现出的近全频段的高强度吸收具有很高的应用前景。然而，由于MXene薄膜对光和热的高度敏感，未来应对其长期使用过程中的动态结构和相位变化进行进一步的研究。