西(xi)安(an)交通大(da)學(xue)張(zhang)留洋課題(ti)組《IEEE TMTT》：基於微納3D打(da)印(yin)和(he)微流道(dao)液(ye)態(tai)金屬填(tian)充的(de)寬帶(dai)和(he)多(duo)帶(dai)太赫(he)茲超(chao)材(cai)料(liao)

3D結構(gou)的(de)超材(cai)料(liao)器(qi)件由(you)於(yu)能(neng)通過增加入(ru)射(she)電磁(ci)波(bo)和(he)結(jie)構(gou)之(zhi)間的(de)重(zhong)疊空間來增(zeng)強(qiang)光與物質(zhi)的(de)相互(hu)作用並在調控(kong)太赫(he)茲波(bo)方面(mian)提供額(e)外的(de)自由(you)度(du)，展現(xian)出比(bi)傳(chuan)統平(ping)面(mian)2D結構(gou)超材(cai)料(liao)更大(da)的(de)應用潛(qian)力。然而傳(chuan)統的(de)制(zhi)造(zao)方(fang)法在制(zhi)備3D結構(gou)器(qi)件上(shang)依(yi)然(ran)存(cun)在許多(duo)障礙(ai)，通過集成(cheng)光(guang)刻(ke)、沈(chen)積(ji)、蝕(shi)刻(ke)、LIGA等壹系(xi)列(lie)程序(xu)來制(zhi)造(zao)3D復(fu)雜(za)結(jie)構(gou)不僅(jin)存在耗時(shi)和(he)經(jing)驗要求(qiu)高等缺(que)點，且所(suo)構(gou)建的(de)復雜(za)3D結(jie)構(gou)無法(fa)滿足(zu)需求(qiu)。

新的(de)加工工(gong)藝(yi)不斷(duan)被(bei)提出以(yi)開(kai)發(fa)此(ci)類復(fu)雜(za)3D結(jie)構(gou)超材(cai)料(liao)器(qi)件，主要的(de)新方法包(bao)括(kuo)剪(jian)紙(zhi)/折紙(zhi)工(gong)藝(yi)、3D打(da)印(yin)技術、液態金屬(shu)填(tian)充技(ji)術等。其中(zhong)，3D打(da)印(yin)技術雖能(neng)勝任復雜(za)幾何(he)結構(gou)的(de)制(zhi)造(zao)，但在太赫(he)茲超(chao)材(cai)料(liao)的(de)特征尺(chi)寸(cun)範(fan)圍(wei)內(nei)，大(da)多(duo)數3D打(da)印(yin)方法在打印(yin)過程中(zhong)只(zhi)能(neng)使(shi)用單壹材(cai)料(liao)，而許多(duo)器(qi)件同(tong)時(shi)需要多(duo)種材(cai)料(liao)來支(zhi)撐復(fu)雜(za)的(de)結構(gou)和(he)電磁(ci)功能(neng)，因此(ci)需結合(he)其它步(bu)驟來引入(ru)額(e)外的(de)材(cai)料(liao)。如課(ke)題組前(qian)期工(gong)作提出(chu)的(de)制(zhi)備工藝(yi)，在通過微納3D打(da)印(yin)技術直接(jie)進(jin)行主體結構(gou)成型(xing)後還(hai)需使(shi)用鍍膜工(gong)藝(yi)完成(cheng)器(qi)件的(de)金屬(shu)化(hua)，由(you)於3D打印(yin)技術的(de)階梯效應，3D打印(yin)結構(gou)不能(neng)太復雜(za)，否則(ze)會對(dui)金薄膜的(de)連續性造(zao)成(cheng)不利影響(xiang)，使(shi)所(suo)謂的(de)3D結構(gou)實際上(shang)成為(wei)2.5D結(jie)構(gou)。

在此(ci)情形(xing)下(xia)，將液(ye)態(tai)金屬填(tian)充到(dao)微流道(dao)中(zhong)的(de)液態(tai)金(jin)屬(shu)填(tian)充技(ji)術在克服(fu)此(ci)問(wen)題(ti)中(zhong)具有獨(du)。特的(de)優勢。液態(tai)金(jin)屬填(tian)充技(ji)術不僅(jin)可提供構(gou)造(zao)復(fu)雜(za)幾何(he)形狀(zhuang)的(de)替代(dai)方案(an)，還(hai)可提(ti)供新的(de)金屬(shu)化(hua)策(ce)略。因此(ci)，西安(an)交通大(da)學(xue)張(zhang)留洋老師課題組利用摩(mo)方(fang)精密提供的(de)nanoArch S130打印(yin)系(xi)統，提(ti)出(chu)了(le)壹種將微納3D打(da)印(yin)技術與微流道(dao)液(ye)態(tai)金屬填(tian)充技(ji)術相結合(he)的(de)微結構(gou)制(zhi)備工藝(yi)，作為概(gai)念(nian)驗證(zheng)，通過所(suo)提出(chu)的(de)制(zhi)備策略制(zhi)備了(le)兩(liang)種具有寬(kuan)帶(dai)和(he)多(duo)頻段特性的(de)典型(xing)超材(cai)料(liao)，實驗(yan)獲得(de)了(le)與理論仿(fang)真(zhen)吻(wen)合(he)較好的(de)響應光譜(pu)。該論文(wen)以(yi)“Broadband and Multiband Terahertz Metamaterials Based on 3-D-Printed Liquid Metal-Filled Microchannel"為(wei)題發(fa)表(biao)在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》期刊上(shang)。

圖(tu) 1 3D太(tai)赫(he)茲超(chao)材(cai)料(liao)的(de)制(zhi)造(zao)工(gong)藝示意(yi)圖(tu)：(a)PμSL 3D打(da)印(yin)系(xi)統，(b)3D打(da)印(yin)超材(cai)料(liao)樣(yang)品和(he)(c)超(chao)材(cai)料(liao)樣(yang)品的(de)真空泵送(song)和(he)液(ye)態金(jin)屬填(tian)充裝(zhuang)置(zhi)。

相(xiang)較(jiao)於傳(chuan)統MEMS工(gong)藝(yi)善於(yu)加工2D結(jie)構(gou)的(de)不同(tong)，微納3D打(da)印(yin)技術在構(gou)建復(fu)雜(za)3D結(jie)構(gou)方面(mian)具備顯(xian)著優勢。圖(tu) 1為(wei)3D結(jie)構(gou)微流道(dao)器(qi)件的(de)加工流(liu)程圖(tu)，流(liu)程簡(jian)述(shu)如下(xia)：通過3D打印(yin)機（圖(tu) 1(a)）逐層(ceng)固化(hua)BIO樹(shu)脂(zhi)，得(de)到包(bao)含(han)微流道(dao)結(jie)構(gou)樣(yang)品（圖(tu) 1(b)）；將所(suo)得(de)樹脂(zhi)結構(gou)浸入(ru)異(yi)丙醇中(zhong)約(yue)10分(fen)鐘以(yi)洗掉(diao)微流道(dao)中(zhong)殘(can)余的(de)樹脂(zhi)；最後進行液態(tai)金(jin)屬(shu)填(tian)充實(shi)現(xian)金屬(shu)化(hua)，液(ye)態金屬填(tian)充裝(zhuang)置(zhi)如(ru)圖(tu) 1(c)所(suo)示。

為(wei)證(zheng)明(ming)所(suo)提出(chu)制(zhi)備工藝(yi)的(de)可行性，首先設(she)計(ji)了(le)如圖(tu) 2所(suo)示的(de)太赫(he)茲寬(kuan)帶(dai)吸波(bo)器(qi)，其超(chao)分(fen)子由(you)兩(liang)個(ge)相互(hu)貫(guan)穿的(de)圓(yuan)盤組成。填(tian)充前(qian)後的(de)結構(gou)在光學(xue)顯(xian)微鏡下(xia)的(de)情形(xing)分(fen)別如圖(tu) 3(a)和(he)圖(tu) 3(c)所(suo)示，在充分(fen)填(tian)充後按圖(tu) 3(f)中(zhong)的(de)流程沖洗表(biao)面(mian)多(duo)余的(de)液態(tai)金(jin)屬(shu)。從(cong)圖(tu) 3(e)可(ke)看(kan)出(chu)，實驗光譜(pu)和(he)仿(fang)真(zhen)計(ji)算(suan)光(guang)譜(pu)均顯(xian)示出(chu)高吸收(shou)率、大(da)帶(dai)寬的(de)特征，表(biao)明(ming)所(suo)提出(chu)的(de)吸波(bo)器(qi)能(neng)在寬頻(pin)率範(fan)圍(wei)內(nei)有(you)效吸(xi)收(shou)入(ru)射(she)太赫(he)茲波(bo)。

圖(tu) 2 基(ji)於(yu)微流道(dao)的(de)太赫(he)茲寬(kuan)帶(dai)吸波(bo)器(qi)：(a)陣列(lie)和(he)(b)超(chao)分(fen)子。

圖(tu) 3 3D打(da)印(yin)寬帶(dai)吸波(bo)器(qi)液態(tai)金(jin)屬(shu)填(tian)充前(qian)(a)和(he)填(tian)充後(c)的(de)光學(xue)顯(xian)微圖(tu)像(xiang)，(b)和(he)(d)為(wei)局部(bu)放大(da)圖(tu)；(e)模(mo)擬(ni)和(he)測量的(de)吸收(shou)光(guang)譜(pu)；(f)吸收(shou)器(qi)頂部(bu)多(duo)余的(de)液態(tai)金(jin)屬(shu)沖洗示意(yi)圖(tu)。

類(lei)似(si)地，依(yi)據(ju)所(suo)提出(chu)的(de)制(zhi)備工藝(yi)，設(she)計(ji)並(bing)制(zhi)備了(le)第(di)二(er)種太(tai)赫(he)茲超(chao)材(cai)料(liao)（圖(tu) 4），其(qi)由(you)兩(liang)對垂直(zhi)交叉(cha)的(de)開口環(huan)組成，在完成(cheng)液態金屬填(tian)充後能(neng)在頻率為(wei)0.1至3.0 THz的(de)範圍(wei)內(nei)形(xing)成(cheng)了(le)五個(ge)共振波(bo)谷，因此(ci)該基(ji)於(yu)垂(chui)直開口環(huan)的(de)超材(cai)料(liao)可歸(gui)類為(wei)多(duo)帶(dai)太赫(he)茲超(chao)材(cai)料(liao)。每壹個(ge)共振波(bo)谷的(de)反射(she)都接(jie)近或(huo)超過-20 dB，表(biao)明(ming)吸收(shou)率可(ke)達(da)到99%。此(ci)外，橙色(se)線(xian)表(biao)示通(tong)過THz-TDS測量的(de)反射(she)譜(pu)，其中(zhong)諧(xie)振頻率和(he)振幅(fu)與模擬(ni)結果基(ji)本(ben)壹致。

圖(tu) 4 基(ji)於(yu)微流道(dao)的(de)多(duo)帶(dai)太赫(he)茲反(fan)射(she)器(qi)件：(a)陣(zhen)列(lie)和(he)(b)超(chao)分(fen)子。

圖(tu) 5 太(tai)赫(he)茲多(duo)帶(dai)超材(cai)料(liao)的(de)顯(xian)微鏡圖(tu)像(xiang)：(a)液(ye)態(tai)金屬填(tian)充前(qian)和(he)(c)液(ye)態金(jin)屬充填(tian)後；(b)和(he)(d)為(wei)相應的(de)放大(da)圖(tu)像(xiang)。(e)模(mo)擬(ni)和(he)實(shi)驗測量的(de)反射(she)光譜(pu)。