东京大学研究生院理学系研究科的大越慎一教授等人与新日本电工组成的联合研究团队于1月31日宣布，成功合成出了一种新型钛氧化物材料“表面涂层型λ型五氧化三钛”，并研发出了在0.1～1THz太赫兹波频段表现出卓越性能的新型高性能太赫兹波吸收材料。这种吸收材料可用于6G（第六代移动通信系统）等领域的全球最薄的高性能太赫兹波吸收薄膜。
图1 采用表面涂层型λ型五氧化三钛制成的6G用全球最薄电磁波吸收薄膜（供图：东京大学）
图2 表面涂层型λ型五氧化三钛的合成过程（供图：东京大学）
(a) λ型五氧化三钛（λ-Ti₃O₅）的晶体结构及扫描电子显微镜（SEM）图像。右上图为量产工艺制备的λ-Ti₃O₅粉末样品（150g）照片
(b) 锐钛矿型二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒的晶体结构及透射电子显微镜（TEM）图像
(c) 表面涂层型λ型五氧化三钛的SEM图像
本次合成的表面涂层型λ型五氧化三钛，是以大越教授等人2010年发现的导电性λ型五氧化三钛（λ-Ti₃O₅）为基材，并在其表面包覆绝缘性二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒制成的。
大越教授等人此前已经解明，λ型五氧化三钛是一种具有新型晶体结构的氧化钛材料，不仅具备金属特性，还会与β型五氧化三钛（β-Ti₃O₅）之间发生光诱导相变、压力诱导相变、电流诱导相变等多种相变现象。
合成的表面涂层型λ型五氧化三钛经过太赫兹时域光谱法测定，在0.1THz至1THz的范围内展现出了高达0.76的介电损失角正切值（dissipation factor）。
这是由于在λ型五氧化三钛晶体内部的畴界，以及绝缘性氧化钛纳米颗粒与λ型五氧化三钛晶体之间界面处产生的电子散射导致太赫兹频段内出现了极高的介电损耗。
联合研究团队进一步基于理论计算，利用该合成材料开发出了一种超薄型太赫兹波吸收膜。这是一种厚度仅48微米（μm）的超薄的膜，在0.77THz频点表现出负28分贝（dB）的出色回波损耗（相当于99.8%的能量吸收率）。
这种0.1～1THz波段的太赫兹波吸收膜此前未见报告，该成果不仅是全球同类产品中最薄的，同时还具备优异的耐热性、耐光性、耐水性和耐有机溶剂性，因此可适用于户外环境及严苛条件。
作为原材料的λ型五氧化三钛，仅需将二氧化钛与乙炔黑的混合物进行煅烧即可合成，可以实现大规模量产。其生产成本也可控制在每平方米约几百日元，具有广阔的实用化前景。
表面涂层型λ型五氧化三钛由钛原子和氧原子构成，是一种环保材料，符合可持续发展目标（SDGs）的理念。
0.1～1THz的太赫兹波有望实现无线通信的高速化与大容量化、低延迟化、多器件的同时连接，因此在未来逐步普及的6G技术中，0.1～0.45THz的太赫兹波预计将作为通信载波。
除6G技术外，该类太赫兹波还被提议应用于非接触式生命体征监测系统、利用断层成像的质检扫描系统、危险品检测所需的安全传感技术等多个领域。
此外，利用太赫兹波（～0.95THz）的天文望远镜也在推动银河系和宇宙观测方面发挥重要作用。
在太赫兹波的实际应用中，为确保信息安全、避免电磁波干扰、提高通信精度及传感灵敏度，吸收多余的电磁波噪声至关重要。然而，目前尚未有针对0.3THz以上太赫兹波的吸收膜实现实用化。
因此，本次开发的超薄太赫兹波吸收膜预计将在6G天线罩（雷达罩）及基板、非接触生命体征监测系统、质量检测扫描系统、射电天文台设备、交通工具车体、道路与防护栏等多方面的应用中，推动太赫兹技术的发展。研究团队对其未来的广泛应用充满期待。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：ACS Applied Materials & Interfaces
论文：Ultrathin Terahertz-Wave Absorber Based on InorGanic Materials for 6G Wireless Communications
DOI：10.1021/acsami.4c17606
