基于高精度3D打印的垂直U型環太赫茲超材料

由于能夠對太赫茲電磁波產生有效的調制，近年來，太赫茲電磁超材料受到了科研界極大的關注。太赫茲超材料的單個單元的特征尺寸一般為幾十微米，傳統的加工主要基于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驗設備并且是多工序且高耗費的。為了克服這些缺點與不足，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打印設備nanoArch S130（BMF摩方精密）對模型進行加工，隨后通過磁控濺射沉積鍍金屬膜賦予該結構功能性。

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

圖1 基于垂直U型環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字模型，將該數字模型轉化為STL格式就可以輸入3D打印設備進行打印制造。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)。為了加強所打印的垂直U型環結構和硅片界面處的粘附性，在U型環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打印設備（nanoArch S130，摩方精密）的光學精度為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，這使得整個制造過程相當的簡單和高效。

圖2 所制造的垂直U型環太赫茲超材料掃描電鏡照片與太赫茲時域光譜系統測量所得吸收譜。(a)垂直U型環局部陣列。(b)單個垂直U型環照片。(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個單元結構。從電鏡圖中可以看出，所選用的3D打印技術（nanoArch S130，摩方精密）可以很好地完成設計的微結構的成型。THz-TDS測量結果表明，在x極化下，超材料在0.8 THz處達到了96%的近一吸收，而在y極化下沒有出現吸收峰，這與仿真所得的結果基本一致。

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的測量結果。(f)吸收峰頻率的偏移。

    通過仿真和實驗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，當厚度大于100μm時得到了最佳的效果。計算得到傳感器的靈敏度為S = 0.5 THz/RIU，品質因數為FOM = 95.9。所制造的垂直U型環超材料的高度為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證垂直U型環傳感器的傳感能力。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為0.5335 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，驗證了樣品在折射率傳感等領域的應用潛力。