基于高精度3D打印的垂直U型環(huán)太赫茲超材料

由于能夠?qū)μ掌濍姶挪óa(chǎn)生有效的調(diào)制，近年來，太赫茲電磁超材料受到了科研界極大的關(guān)注。太赫茲超材料的單個(gè)單元的特征尺寸一般為幾十微米，傳統(tǒng)的加工主要基于MEMS微納加工工藝流程。然而，這些工藝流程通常都需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備并且是多工序且高耗費(fèi)的。為了克服這些缺點(diǎn)與不足，西交大張留洋老師課題組提出了一種基于微納3D打印結(jié)合磁控濺射沉積鍍膜的太赫茲超材料制造工藝：以基于垂直U型環(huán)諧振器的三維太赫茲超材料為原型，采用高精度微納3D打印設(shè)備nanoArch S130（BMF摩方精密）對模型進(jìn)行加工，隨后通過磁控濺射沉積鍍金屬膜賦予該結(jié)構(gòu)功能性。

該成果以“3D-printed terahertz metamaterial absorber based on vertical split-ring resonator"為題發(fā)表于Journal of Applied Physics期刊。

圖1 基于垂直U型環(huán)的太赫茲超材料制備工藝示意圖。采用面投影微立體3D打印工藝（nanoArch S130，摩方精密）在硅片表面制造樹脂超材料模型，然后通過磁控濺射在樹脂模型表面沉積覆蓋金屬銅膜。插圖為基于垂直U型環(huán)的太赫茲超材料的模型剖視圖。

圖1所示為所提出的基于垂直U型環(huán)的太赫茲超材料制造工藝流程示意圖。首先，通過三維建模軟件建立了超材料的數(shù)字模型，將該數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為STL格式就可以輸入3D打印設(shè)備進(jìn)行打印制造。打印所采用的樹脂材料為一種耐高溫的光敏樹脂(High-temperature resistance photosensitive resin, HTL)。為了加強(qiáng)所打印的垂直U型環(huán)結(jié)構(gòu)和硅片界面處的粘附性，在U型環(huán)和硅片表面之間額外打印了一層樹脂基底。在樹脂模型制造完成之后，采用磁控濺射鍍膜工藝在樹脂模型的表面沉積銅膜。所使用的3D打印設(shè)備（nanoArch S130，摩方精密）的光學(xué)精度為2 μm，最小打印層厚為5 μm。所采用的加工工藝主要依賴于3D打印技術(shù)，這使得整個(gè)制造過程相當(dāng)?shù)暮唵魏透咝А?/span>

圖2 所制造的垂直U型環(huán)太赫茲超材料掃描電鏡照片與太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測量所得吸收譜。(a)垂直U型環(huán)局部陣列。(b)單個(gè)垂直U型環(huán)照片。(c)與(d)分別為測量和仿真所得的分別在x極化和y極化入射下超材料的吸收譜。

    制造的超材料陣列的總體尺寸為9.6 ×9.6mm，一共包含了30×30個(gè)單元結(jié)構(gòu)。從電鏡圖中可以看出，所選用的3D打印技術(shù)（nanoArch S130，摩方精密）可以很好地完成設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)的成型。THz-TDS測量結(jié)果表明，在x極化下，超材料在0.8 THz處達(dá)到了96%的近一吸收，而在y極化下沒有出現(xiàn)吸收峰，這與仿真所得的結(jié)果基本一致。

圖3 高Q值三維太赫茲超材料傳感研究。(a)傳感分析物的示意。(b)諧振峰頻率隨傳感分析物的厚度而變化。(c)加載不同折射率分析物時(shí)的超材料吸收譜 (d)超材料傳感折射率靈敏度。(e)加載乳糖與半乳糖粉末時(shí)的測量結(jié)果。(f)吸收峰頻率的偏移。

    通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究了樣品的傳感特性。分析得出，隨著傳感物厚度的增大，頻移逐漸加大，當(dāng)厚度大于100μm時(shí)得到了最佳的效果。計(jì)算得到傳感器的靈敏度為S = 0.5 THz/RIU，品質(zhì)因數(shù)為FOM = 95.9。所制造的垂直U型環(huán)超材料的高度為75μm，適用于檢測具有一定厚度的分析物。因此，該研究選擇了典型的乳糖和半乳糖粉末作為分析物來驗(yàn)證垂直U型環(huán)傳感器的傳感能力。如圖3 (e)所示，在樣品表面加載乳糖和半乳糖粉末后，吸收峰的中心頻率分別變?yōu)?.5335 THz和0.7603 THz，頻移分別為0.2665 THz與0.0397 THz，獲得了有效且明顯地頻移，驗(yàn)證了樣品在折射率傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。