中國(guo)計(ji)量大(da)學(xue)：常溫下實現(xian)二(er)氧化(hua)釩相(xiang)變(bian)調控的3D打印(yin)超(chao)材料吸波(bo)器(qi)

然而(er)，隨著超(chao)材料設計(ji)日趨(qu)復雜多樣，以(yi)及由(you)超(chao)材料構成(cheng)的太(tai)赫(he)茲系(xi)統(tong)集(ji)成度不斷提高(gao)，其(qi)制造(zao)加工(gong)面(mian)臨著(zhe)越(yue)來(lai)越大(da)的挑戰。傳(chuan)統(tong)上(shang)，加工(gong)適用於(yu)太赫(he)茲波(bo)段的超(chao)材料結(jie)構(gou)主(zhu)要(yao)依賴光(guang)刻與(yu)刻蝕技術，但(dan)這(zhe)些(xie)方法工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)繁(fan)瑣、成(cheng)本高(gao)昂，且在制造(zao)三維(wei)空(kong)腔(qiang)或(huo)球形等(deng)復(fu)雜構型(xing)時存在明顯(xian)局限(xian)。增材制(zhi)造(zao)技術的興(xing)起為超(chao)材料的制(zhi)備開辟了新路徑(jing)。在眾(zhong)多3D打印(yin)工(gong)藝(yi)中，雖(sui)然噴(pen)墨(mo)打印(yin)、立(li)體(ti)光刻（SLA）、熔融沈積成(cheng)型(xing)（FDM）及直接激(ji)光(guang)寫入(ru)（DLW）等技(ji)術應用廣泛，但(dan)它(ta)們通常難以滿足(zu)太(tai)赫茲超(chao)材料對打印(yin)精(jing)度和表面(mian)質(zhi)量的要(yao)求(qiu)。

基(ji)於(yu)此，中(zhong)國(guo)計(ji)量大(da)學(xue)信息工(gong)程學(xue)院井(jing)緒峰教授(shou)和洪(hong)治(zhi)研究(jiu)員(yuan)等(deng)人(ren)設計(ji)和實驗(yan)制備了壹(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)二(er)氧化(hua)釩相(xiang)變(bian)調控的花(hua)瓣(ban)狀超(chao)材料吸波(bo)器(qi)，並利(li)用摩(mo)方精(jing)密(mi)面(mian)投影微立體(ti)光刻（PμSL）技術與(yu)超(chao)聲噴(pen)塗(tu)薄(bo)膜(mo)法(fa)結(jie)合(he)的方法制備兩款(kuan)共形超(chao)材料樣品(pin)。這(zhe)兩(liang)種方法的結(jie)合(he)可(ke)以實現(xian)高(gao)精(jing)度復雜(za)超(chao)材料樣品(pin)的制(zhi)備，對微納領(ling)域(yu)可(ke)調諧超(chao)材料器(qi)件(jian)的研(yan)究(jiu)提供(gong)了壹(yi)定(ding)的幫(bang)助。研究(jiu)成果以(yi)“3D Printed Metamaterial Absorber Based on Vanadium Dioxide Phase Transition Control Prepared at Room Temperature"為題(ti)發(fa)表在國(guo)際(ji)著(zhu)名(ming)學(xue)術期刊《Laser ＆ Photonics Reviews》上(shang)。

圖1展示了該研(yan)究設(she)計(ji)的兩(liang)種(zhong)共形(xing)超(chao)材料結(jie)構(gou)：平面(mian)型(xing)結(jie)構(gou)與(yu)半球形結(jie)構(gou)。這(zhe)兩(liang)種結(jie)構(gou)在宏觀上(shang)有平面(mian)型(xing)和半球形的差(cha)異(yi)，但(dan)是在微觀(guan)超(chao)材料周期單元上(shang)均為相(xiang)同的花(hua)瓣(ban)狀超(chao)材料結(jie)構(gou)。平面(mian)型(xing)結(jie)構(gou)和半球形結(jie)構(gou)的3D打印(yin)樣(yang)品(pin)結(jie)構(gou)清晰(xi)且(qie)完(wan)整。圖(tu)2為摩(mo)方精(jing)密(mi)microArch^® S230（精(jing)度：2μm）3D打印(yin)花(hua)瓣(ban)狀超(chao)材料吸波(bo)器(qi)的流(liu)程(cheng)以(yi)及超(chao)聲噴(pen)塗(tu)法(fa)塗覆二(er)氧化(hua)釩薄(bo)膜(mo)的制(zhi)備流(liu)程(cheng)。在該研(yan)究中(zhong)，超(chao)材料樣品(pin)使用的是光學(xue)精(jing)度2μm，層厚5μm的高(gao)精(jing)度低層厚的摩(mo)方精(jing)密(mi)面(mian)投影微立體(ti)光刻（PμSL）技術。在制備完(wan)成的超(chao)材料樣品(pin)表面(mian)，使用超(chao)聲波(bo)噴塗設備在室(shi)溫下進行二(er)氧化(hua)釩納(na)米(mi)墨(mo)水超(chao)聲噴(pen)塗(tu)工(gong)藝(yi)。圖3利(li)用太赫茲時域(yu)光(guang)譜(pu)儀（THz-TDS）對(dui)制備樣品進行了性(xing)能表征(zheng)。在實驗(yan)測試(shi)過程(cheng)中(zhong)，采用了壹(yi)種(zhong)特(te)殊的加(jia)熱(re)方式(shi)——非接(jie)觸式(shi)加熱(re)法(fa)。非(fei)接觸式(shi)加熱(re)法(fa)是通過加(jia)熱(re)樣(yang)品(pin)周圍的空(kong)氣(qi)，使得整(zheng)個樣(yang)品(pin)處(chu)於(yu)壹(yi)個(ge)溫度恒(heng)定(ding)的空(kong)間(jian)中(zhong)，樣品的溫度可(ke)控、變(bian)化(hua)穩(wen)定(ding)且受(shou)熱(re)均勻(yun)。同時，加熱(re)裝(zhuang)置(zhi)不與(yu)樣(yang)品接觸(chu)，從(cong)而(er)避免了其對(dui)樣品(pin)測試(shi)性(xing)能的影響(xiang)。

圖1. 基(ji)於(yu)二(er)氧化(hua)釩相(xiang)變(bian)調控的3D打印(yin)花(hua)瓣(ban)狀超(chao)材料吸波(bo)器(qi)。(a) 平面(mian)型(xing)和 (b) 半球形花(hua)瓣(ban)狀超(chao)材料結(jie)構(gou)示意(yi)圖；(c) 平(ping)面(mian)型(xing)結(jie)構(gou)和半球形結(jie)構(gou)的3D打印(yin)樣(yang)品(pin)；表面(mian)噴塗(tu)二(er)氧化(hua)釩薄(bo)膜(mo)後的 (d) 平(ping)面(mian)型(xing)和 (e) 半球形花(hua)瓣(ban)狀超(chao)材料結(jie)構(gou)示意(yi)圖；(f) 花(hua)瓣(ban)狀結(jie)構(gou)周期單元的尺寸(cun)示(shi)意(yi)圖。

圖2.  基(ji)於(yu)二(er)氧化(hua)釩相(xiang)變(bian)調控的花(hua)瓣(ban)狀超(chao)材料吸波(bo)器(qi)的制(zhi)備流(liu)程(cheng)。(a) 摩(mo)方面(mian)投影微立體(ti)光刻 (PμSL) 技術的打印(yin)流(liu)程(cheng)以(yi)及 (b) 3D打印(yin)的超(chao)材料樣品(pin)示(shi)意(yi)圖；(c) 超(chao)聲噴(pen)塗(tu)法(fa)塗覆二(er)氧化(hua)釩薄(bo)膜(mo)的制(zhi)備流(liu)程(cheng)以(yi)及 (d) 塗(tu)覆(fu)了二(er)氧化(hua)釩薄(bo)膜(mo)的超(chao)材料樣品(pin)。

在二(er)氧化(hua)釩處(chu)於(yu)絕緣(yuan)態(tai)時，超(chao)材料吸波(bo)器(qi)的模擬吸收(shou)效(xiao)果基(ji)本為0，當(dang)其處(chu)於(yu)金屬(shu)態時，超(chao)材料吸波(bo)器(qi)的吸(xi)收(shou)峰值可(ke)達99.5%，巨大(da)的吸(xi)收(shou)差異(yi)顯(xian)示(shi)了其優異(yi)的調(tiao)制(zhi)性(xing)能。實驗(yan)結(jie)果顯(xian)示(shi)，當(dang)二(er)氧化(hua)釩處(chu)於(yu)絕緣(yuan)態(tai)時，超(chao)材料樣品(pin)的吸(xi)收(shou)率基(ji)本為0，當(dang)二(er)氧化(hua)釩處(chu)於(yu)金屬(shu)態時，超(chao)材料樣品(pin)的吸(xi)收(shou)率隨(sui)著(zhe)頻(pin)率的升(sheng)高(gao)而(er)增強，峰(feng)值吸收(shou)率約為~ 0.937。在0 ~ 45°範圍(wei)內(nei)，半球形超(chao)材料樣品(pin)的吸(xi)收(shou)性(xing)能並未(wei)隨著(zhe)入(ru)射(she)角(jiao)度的改(gai)變(bian)而(er)明顯(xian)變(bian)化(hua)，這(zhe)意(yi)味著(zhe)制備的半球形超(chao)材料樣品(pin)對(dui)於(yu)入(ru)射(she)角(jiao)度是不敏(min)感(gan)的。實驗(yan)結(jie)果與(yu)仿(fang)真計(ji)算的高(gao)度吻合(he)證(zheng)明了本研(yan)究(jiu)方法的穩(wen)定(ding)性(xing)。該(gai)方法為太(tai)赫(he)茲可(ke)調諧超(chao)材料器(qi)件(jian)的設(she)計(ji)、制備與(yu)測(ce)試(shi)提供(gong)了新的方案，在太赫(he)茲調(tiao)制(zhi)器(qi)、隱身器(qi)件(jian)、光(guang)開關等(deng)領(ling)域(yu)具(ju)有極(ji)大的應用前(qian)景(jing)。