基於高精度(du)3D打(da)印的(de)垂(chui)直(zhi)U型(xing)環(huan)太(tai)赫茲超(chao)材料(liao)

由(you)於能夠對(dui)太(tai)赫茲電(dian)磁波(bo)產(chan)生有效(xiao)的(de)調制(zhi)，近年(nian)來，太(tai)赫茲電(dian)磁超材料(liao)受(shou)到(dao)了(le)科(ke)研界極(ji)大(da)的(de)關(guan)註(zhu)。太(tai)赫茲超(chao)材料(liao)的(de)單(dan)個單(dan)元的(de)特(te)征(zheng)尺寸壹般為(wei)幾十微米(mi)，傳(chuan)統的(de)加(jia)工(gong)主要(yao)基於MEMS微納(na)加工(gong)工藝(yi)流(liu)程。然而，這些(xie)工(gong)藝(yi)流(liu)程通(tong)常都需(xu)要昂貴(gui)的(de)實(shi)驗(yan)設(she)備(bei)並且是多(duo)工序且(qie)高耗(hao)費(fei)的(de)。為(wei)了(le)克服(fu)這些(xie)缺(que)點與不(bu)足(zu)，西交(jiao)大(da)張(zhang)留洋(yang)老(lao)師課(ke)題組提(ti)出(chu)了(le)壹種基於微納(na)3D打(da)印結(jie)合(he)磁控(kong)濺(jian)射(she)沈積(ji)鍍膜(mo)的(de)太(tai)赫茲超(chao)材料(liao)制(zhi)造工(gong)藝：以(yi)基於垂直U型環(huan)諧(xie)振器(qi)的(de)三(san)維(wei)太(tai)赫茲超(chao)材料(liao)為(wei)原(yuan)型(xing)，采(cai)用高(gao)精(jing)度(du)微納(na)3D打(da)印設(she)備(bei)nanoArch S130（BMF摩方(fang)精(jing)密(mi)）對模型(xing)進行(xing)加工(gong)，隨後通(tong)過磁控(kong)濺(jian)射(she)沈積(ji)鍍金屬(shu)膜(mo)賦予(yu)該(gai)結(jie)構(gou)功能性。

該(gai)成果以(yi)“3D-printed terahertz metamaterial absorber based on vertical split-ring resonator"為題發(fa)表(biao)於(yu)Journal of Applied Physics期刊。

圖1 基於垂直U型環(huan)的(de)太(tai)赫茲超(chao)材料(liao)制(zhi)備工(gong)藝示意圖。采(cai)用面(mian)投影(ying)微立(li)體3D打(da)印工(gong)藝(yi)（nanoArch S130，摩方(fang)精(jing)密(mi)）在矽(gui)片表(biao)面(mian)制(zhi)造樹(shu)脂(zhi)超材料(liao)模型(xing)，然後通(tong)過磁控(kong)濺(jian)射(she)在樹(shu)脂(zhi)模型(xing)表(biao)面(mian)沈(chen)積(ji)覆(fu)蓋(gai)金屬(shu)銅膜(mo)。插(cha)圖為(wei)基於垂直U型環(huan)的(de)太(tai)赫茲超(chao)材料(liao)的(de)模型(xing)剖(pou)視圖(tu)。

圖(tu)1所示為所提(ti)出(chu)的(de)基於垂直U型環(huan)的(de)太(tai)赫茲超(chao)材料(liao)制(zhi)造工(gong)藝流(liu)程示意圖。首(shou)先(xian)，通(tong)過三維建(jian)模軟件建(jian)立(li)了(le)超材料(liao)的(de)數(shu)字(zi)模型(xing)，將(jiang)該(gai)數字(zi)模型(xing)轉化(hua)為STL格(ge)式(shi)就(jiu)可(ke)以(yi)輸(shu)入3D打(da)印設(she)備(bei)進行(xing)打(da)印制(zhi)造。打(da)印所采(cai)用的(de)樹(shu)脂(zhi)材料(liao)為(wei)壹種耐(nai)高溫的(de)光(guang)敏(min)樹(shu)脂(zhi)(High-temperature resistance photosensitive resin, HTL)。為(wei)了(le)加強所打(da)印的(de)垂(chui)直(zhi)U型環(huan)結(jie)構(gou)和(he)矽(gui)片界(jie)面(mian)處(chu)的(de)粘附(fu)性(xing)，在U型環(huan)和(he)矽(gui)片表(biao)面(mian)之間(jian)額(e)外打(da)印了(le)壹層(ceng)樹(shu)脂(zhi)基底。在(zai)樹(shu)脂(zhi)模型(xing)制(zhi)造完(wan)成之後，采(cai)用磁控(kong)濺(jian)射(she)鍍膜(mo)工藝在樹(shu)脂(zhi)模型(xing)的(de)表(biao)面(mian)沈(chen)積(ji)銅膜(mo)。所使(shi)用的(de)3D打(da)印設(she)備(bei)（nanoArch S130，摩方(fang)精(jing)密(mi)）的(de)光(guang)學(xue)精(jing)度(du)為(wei)2 μm，最小(xiao)打(da)印層(ceng)厚(hou)為(wei)5 μm。所采(cai)用的(de)加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)主要(yao)依(yi)賴於(yu)3D打(da)印技(ji)術(shu)，這使(shi)得(de)整個制(zhi)造過(guo)程相當(dang)的(de)簡(jian)單(dan)和(he)高(gao)效(xiao)。

圖2 所制(zhi)造的(de)垂(chui)直(zhi)U型環(huan)太(tai)赫茲超(chao)材料(liao)掃(sao)描(miao)電(dian)鏡(jing)照片與太(tai)赫茲時(shi)域光譜(pu)系統測量所得(de)吸(xi)收(shou)譜(pu)。(a)垂(chui)直(zhi)U型(xing)環(huan)局(ju)部陣列。(b)單(dan)個垂(chui)直U型(xing)環(huan)照(zhao)片。(c)與(d)分別(bie)為(wei)測量和(he)仿(fang)真(zhen)所得(de)的(de)分別(bie)在(zai)x極化(hua)和(he)y極化入射(she)下(xia)超(chao)材料(liao)的(de)吸(xi)收(shou)譜(pu)。

    制(zhi)造的(de)超(chao)材料(liao)陣(zhen)列的(de)總(zong)體尺寸為9.6 ×9.6mm，壹共包含(han)了(le)30×30個單(dan)元結(jie)構(gou)。從電(dian)鏡(jing)圖中(zhong)可以(yi)看出(chu)，所選用的(de)3D打(da)印技(ji)術(shu)（nanoArch S130，摩方(fang)精(jing)密(mi)）可以(yi)很好(hao)地(di)完成(cheng)設計的(de)微結(jie)構(gou)的(de)成(cheng)型(xing)。THz-TDS測量結(jie)果表(biao)明(ming)，在(zai)x極化(hua)下(xia)，超(chao)材料(liao)在(zai)0.8 THz處達(da)到(dao)了(le)96%的(de)近(jin)壹吸收(shou)，而在y極(ji)化下(xia)沒(mei)有出(chu)現(xian)吸(xi)收(shou)峰，這與仿(fang)真(zhen)所得(de)的(de)結(jie)果基本(ben)壹致。

圖3 高Q值(zhi)三維(wei)太赫茲超(chao)材料(liao)傳(chuan)感(gan)研(yan)究。(a)傳感(gan)分析物的(de)示意。(b)諧(xie)振峰頻(pin)率(lv)隨傳(chuan)感分析物的(de)厚(hou)度(du)而(er)變(bian)化。(c)加(jia)載不同(tong)折射(she)率分析物時(shi)的(de)超(chao)材料(liao)吸(xi)收(shou)譜(pu) (d)超(chao)材料(liao)傳(chuan)感(gan)折射(she)率靈(ling)敏(min)度(du)。(e)加載乳糖(tang)與半乳糖粉(fen)末(mo)時(shi)的(de)測(ce)量(liang)結(jie)果。(f)吸收(shou)峰頻(pin)率(lv)的(de)偏(pian)移。

    通(tong)過仿真和(he)實(shi)驗(yan)研究了(le)樣(yang)品的(de)傳(chuan)感(gan)特(te)性(xing)。分析得(de)出(chu)，隨著(zhe)傳感(gan)物厚(hou)度(du)的(de)增(zeng)大(da)，頻(pin)移逐(zhu)漸加大(da)，當(dang)厚(hou)度(du)大(da)於100μm時(shi)得(de)到(dao)了(le)最佳的(de)效(xiao)果。計算(suan)得(de)到(dao)傳感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)為(wei)S = 0.5 THz/RIU，品質(zhi)因(yin)數為FOM = 95.9。所制(zhi)造的(de)垂(chui)直(zhi)U型(xing)環(huan)超(chao)材料(liao)的(de)高(gao)度(du)為(wei)75μm，適(shi)用於(yu)檢(jian)測具有壹定厚(hou)度(du)的(de)分析物。因此，該(gai)研究(jiu)選擇了(le)典(dian)型的(de)乳(ru)糖(tang)和(he)半乳糖粉(fen)末(mo)作(zuo)為(wei)分析物來驗(yan)證垂直U型(xing)環(huan)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)傳(chuan)感(gan)能力。如圖(tu)3 (e)所示，在樣(yang)品表(biao)面(mian)加(jia)載乳糖(tang)和(he)半乳糖粉(fen)末(mo)後，吸(xi)收(shou)峰的(de)中(zhong)心(xin)頻(pin)率(lv)分別(bie)變(bian)為0.5335 THz和(he)0.7603 THz，頻(pin)移分別(bie)為(wei)0.2665 THz與0.0397 THz，獲(huo)得(de)了(le)有效(xiao)且明顯(xian)地(di)頻(pin)移，驗(yan)證了(le)樣(yang)品在(zai)折射(she)率傳(chuan)感等領(ling)域的(de)應(ying)用潛(qian)力。