基(ji)於(yu)高精(jing)度(du)3D打(da)印的垂(chui)直U型環(huan)太(tai)赫(he)茲(zi)超材料(liao)——摩方(fang)精(jing)密(mi)

由(you)於(yu)能(neng)夠對太(tai)赫(he)茲(zi)電磁波(bo)產(chan)生(sheng)有效(xiao)的調制，近(jin)年來，太(tai)赫(he)茲(zi)電磁超材料(liao)受到了科(ke)研(yan)界(jie)極大的關(guan)註。太(tai)赫(he)茲(zi)超材料(liao)的單(dan)個(ge)單(dan)元(yuan)的特征(zheng)尺寸(cun)壹般(ban)為幾十(shi)微米(mi)，傳統(tong)的加工主要基(ji)於(yu)MEMS微納(na)加工工藝流程。然而(er)，這(zhe)些工藝流程通常都需(xu)要昂貴的實(shi)驗設備(bei)並且(qie)是多工序且高耗(hao)費的。為了克(ke)服這(zhe)些缺點(dian)與不足，西(xi)交大(da)張(zhang)留洋(yang)老師課(ke)題(ti)組(zu)提(ti)出了壹(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)微納(na)3D打(da)印結(jie)合(he)磁控濺(jian)射沈(chen)積鍍(du)膜(mo)的太(tai)赫(he)茲(zi)超材料(liao)制造(zao)工藝：以(yi)基(ji)於(yu)垂(chui)直U型環(huan)諧(xie)振(zhen)器(qi)的三(san)維(wei)太(tai)赫(he)茲(zi)超材料(liao)為原(yuan)型，采(cai)用(yong)高精(jing)度(du)微納(na)3D打(da)印設備(bei)nanoArch S130（BMF摩方(fang)精(jing)密(mi)）對模(mo)型(xing)進行(xing)加工，隨(sui)後(hou)通過(guo)磁(ci)控濺(jian)射沈(chen)積鍍(du)金(jin)屬(shu)膜賦予(yu)該結(jie)構(gou)功(gong)能(neng)性(xing)。

該成(cheng)果以(yi)“3D-printed terahertz metamaterial absorber based on vertical split-ring resonator"為題發表(biao)於(yu)Journal of Applied Physics期(qi)刊。

圖(tu)1 基(ji)於(yu)垂(chui)直U型環(huan)的太(tai)赫(he)茲(zi)超材料(liao)制備(bei)工藝示意(yi)圖。采(cai)用(yong)面(mian)投影(ying)微立體(ti)3D打(da)印工藝（nanoArch S130，摩方(fang)精(jing)密(mi)）在(zai)矽片(pian)表(biao)面(mian)制造(zao)樹(shu)脂(zhi)超材料(liao)模(mo)型(xing)，然後(hou)通過(guo)磁(ci)控濺(jian)射在(zai)樹(shu)脂(zhi)模(mo)型(xing)表(biao)面(mian)沈積(ji)覆蓋(gai)金(jin)屬銅膜(mo)。插圖為基(ji)於(yu)垂(chui)直U型環(huan)的太(tai)赫(he)茲(zi)超材料(liao)的模(mo)型(xing)剖(pou)視圖。

圖(tu)1所(suo)示為所(suo)提(ti)出的基(ji)於(yu)垂(chui)直U型環(huan)的太(tai)赫(he)茲(zi)超材料(liao)制造(zao)工藝流程示意(yi)圖。首先(xian)，通過(guo)三(san)維(wei)建(jian)模(mo)軟(ruan)件(jian)建(jian)立了超材料(liao)的數(shu)字(zi)模(mo)型(xing)，將(jiang)該數(shu)字(zi)模(mo)型(xing)轉化(hua)為STL格式就可以(yi)輸入(ru)3D打(da)印設備(bei)進行(xing)打(da)印制造(zao)。打(da)印所(suo)采(cai)用(yong)的樹(shu)脂(zhi)材料(liao)為壹種(zhong)耐高溫(wen)的光(guang)敏(min)樹(shu)脂(zhi)(High-temperature resistance photosensitive resin, HTL)。為了加強(qiang)所(suo)打(da)印的垂(chui)直U型環(huan)結(jie)構(gou)和矽片(pian)界(jie)面(mian)處的粘附(fu)性，在(zai)U型環(huan)和矽片(pian)表(biao)面(mian)之(zhi)間額外打(da)印了壹(yi)層(ceng)樹(shu)脂(zhi)基(ji)底(di)。在(zai)樹(shu)脂(zhi)模(mo)型(xing)制造(zao)完(wan)成之(zhi)後(hou)，采(cai)用(yong)磁(ci)控(kong)濺(jian)射鍍(du)膜(mo)工藝在(zai)樹(shu)脂(zhi)模(mo)型(xing)的表(biao)面(mian)沈積(ji)銅膜(mo)。所(suo)使(shi)用(yong)的3D打(da)印設備(bei)（nanoArch S130，摩方(fang)精(jing)密(mi)）的光(guang)學(xue)精(jing)度(du)為2 μm，最小(xiao)打(da)印層(ceng)厚為5 μm。所(suo)采(cai)用(yong)的加工工藝主要依賴(lai)於(yu)3D打(da)印技(ji)術(shu)，這(zhe)使(shi)得(de)整個(ge)制造(zao)過(guo)程相(xiang)當的簡單(dan)和高效(xiao)。

圖(tu)2 所(suo)制造(zao)的垂(chui)直U型環(huan)太(tai)赫(he)茲(zi)超材料(liao)掃(sao)描電鏡照片與太(tai)赫(he)茲(zi)時(shi)域(yu)光譜(pu)系統(tong)測量所(suo)得(de)吸(xi)收(shou)譜(pu)。(a)垂(chui)直U型環(huan)局(ju)部陣(zhen)列。(b)單(dan)個(ge)垂(chui)直U型環(huan)照片。(c)與(d)分別為測量和仿(fang)真(zhen)所(suo)得(de)的分(fen)別在(zai)x極化(hua)和y極化(hua)入射(she)下(xia)超材料(liao)的吸(xi)收(shou)譜(pu)。

    制造(zao)的超材料(liao)陣(zhen)列的總(zong)體(ti)尺寸(cun)為9.6 ×9.6mm，壹共(gong)包含(han)了30×30個(ge)單(dan)元(yuan)結(jie)構(gou)。從(cong)電鏡圖(tu)中可以(yi)看出(chu)，所(suo)選用(yong)的3D打(da)印技(ji)術(shu)（nanoArch S130，摩方(fang)精(jing)密(mi)）可以(yi)很好(hao)地完(wan)成設計的微結(jie)構(gou)的成(cheng)型(xing)。THz-TDS測量結(jie)果表(biao)明(ming)，在(zai)x極化(hua)下(xia)，超材料(liao)在(zai)0.8 THz處達到了96%的近(jin)壹(yi)吸(xi)收(shou)，而在(zai)y極化(hua)下(xia)沒(mei)有出現吸(xi)收(shou)峰(feng)，這(zhe)與仿(fang)真(zhen)所(suo)得(de)的結(jie)果基(ji)本(ben)壹(yi)致(zhi)。

圖(tu)3 高Q值(zhi)三維(wei)太(tai)赫(he)茲(zi)超材料(liao)傳感研(yan)究。(a)傳感分析物的示意(yi)。(b)諧振峰(feng)頻(pin)率隨傳感分析物的厚(hou)度(du)而變(bian)化(hua)。(c)加載(zai)不同(tong)折(zhe)射(she)率分析物時(shi)的超材料(liao)吸(xi)收(shou)譜(pu) (d)超材料(liao)傳感折射率靈敏(min)度。(e)加載(zai)乳糖與半(ban)乳(ru)糖粉(fen)末時(shi)的測量結(jie)果。(f)吸(xi)收(shou)峰(feng)頻(pin)率的偏(pian)移。

    通過(guo)仿(fang)真(zhen)和實(shi)驗研(yan)究了樣(yang)品的傳(chuan)感特性(xing)。分析得(de)出(chu)，隨(sui)著傳(chuan)感物厚(hou)度(du)的增(zeng)大(da)，頻(pin)移逐漸加大(da)，當厚(hou)度(du)大於(yu)100μm時(shi)得(de)到了最佳(jia)的效(xiao)果。計算(suan)得(de)到傳感器的靈敏(min)度為S = 0.5 THz/RIU，品質(zhi)因(yin)數為FOM = 95.9。所(suo)制造(zao)的垂(chui)直U型環(huan)超材料(liao)的高度(du)為75μm，適(shi)用(yong)於(yu)檢測具有壹定(ding)厚(hou)度的分(fen)析物。因(yin)此，該研(yan)究選擇(ze)了典型的乳(ru)糖和半(ban)乳(ru)糖粉(fen)末作(zuo)為分析物來(lai)驗證垂(chui)直U型環(huan)傳(chuan)感器的傳(chuan)感能(neng)力(li)。如圖3 (e)所(suo)示，在(zai)樣(yang)品表(biao)面(mian)加載(zai)乳糖和半(ban)乳(ru)糖粉(fen)末後(hou)，吸(xi)收(shou)峰(feng)的中心頻(pin)率分別變(bian)為0.5335 THz和0.7603 THz，頻(pin)移分別為0.2665 THz與0.0397 THz，獲得(de)了有效(xiao)且(qie)明(ming)顯(xian)地頻(pin)移，驗證了樣(yang)品在(zai)折射(she)率傳感等(deng)領(ling)域的應(ying)用(yong)潛(qian)力(li)。