西安交大《Physical Review Applied》：3D打印超寬帶太赫茲超材料吸波器

來源：摩方精密

太赫茲波，指頻率為0.1-10 THz的電磁波，位于微波和紅外之間，屬于電子學與光子學的過渡區(qū)間。由于具有光子能量低、穿透力強、特征光譜分辨能力好等屬性，太赫茲技術(shù)在生物傳感、無損檢測以及高速無線通訊等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而，由于自然界中的天然材料在太赫茲頻段沒有電磁響應(yīng)，導致太赫茲頻段的功能材料和器件非常匱乏，這也是造成太赫茲技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用的重要原因。THz超材料，一種新型的周期性人工電磁材料，其性質(zhì)主要取決于所設(shè)計的結(jié)構(gòu)，通過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可獲得與自然界已知材料截然不同的電磁性質(zhì)，從而實現(xiàn)豐富的功能器件，如吸波器、調(diào)制器和偏振轉(zhuǎn)換器等。目前常見的太赫茲超材料，主要由光刻工藝制備得到，存在制備工藝復雜、加工成本高的問題。此外，目前寬帶吸波器常采用上下重疊式多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，其在太赫茲頻段所需的多步光刻工藝更是進一步提高了加工難度及成本。因此，探索太赫茲器件的無光刻、低成本、簡單高效的制備方法獲得超寬帶太赫茲吸波器，將有利于促進太赫茲技術(shù)的繁榮發(fā)展。

近日，西安交通大學張留洋教授課題組提出了一種偏振不敏感的超寬帶太赫茲吸波器設(shè)計及其制備方法，該超寬帶吸波器由疊堆于類寶塔基底表面的多層環(huán)形諧振器構(gòu)成，通過相鄰諧振器共振模式的重疊實現(xiàn)帶寬的擴展，最終通過疊堆12層圓形和環(huán)形諧振器實現(xiàn)1.07-2.88 THz頻段的近完美吸收。該研究結(jié)合微尺度3D打印技術(shù)（nanoArch S130，摩方精密）制備得到實驗樣件，實驗測試結(jié)果驗證了寬帶吸收機理的準確性。該成果以“Three-Dimensional Printed Ultrabroadband Terahertz Metamaterial Absorbers”為題發(fā)表于國際期刊Physical Review Applied上，該研究工作由西安交通大學機械工程學院博士生沈忠磊與碩士生李勝男共同合作完成。

圖1 具有面外形態(tài)的太赫茲吸波器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 太赫茲超寬帶吸收譜

通過結(jié)合微尺度3D打印技術(shù)，超寬帶太赫茲吸波器可由簡單的三步工藝制備得到。其中，周期性陣列的三維類寶塔結(jié)構(gòu)采用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch S130，摩方精密）加工得到。實驗結(jié)果表明：得益于高精度的微尺度3D打印技術(shù)，測試所得的寬帶吸收譜諧振頻率和吸收幅值均與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。

圖3 太赫茲超寬帶吸波器實驗驗證（其中單元周期Px=Py=185μm，頂層圓形諧振器半徑r12=10μm, 疊堆環(huán)形諧振器寬度w=6μm，疊堆層厚Dt=10μm）

此外，文章進一步證明了該制備方法之于常見太赫茲窄帶吸波器制備的適用性。實驗結(jié)果表明：兩種太赫茲窄帶吸波器的吸收譜測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果和理論結(jié)果均較為吻合，表明基于微尺度3D打印技術(shù)的制備方法同樣可實現(xiàn)對常見太赫茲窄帶吸波器的高質(zhì)量制備。

圖4 太赫茲窄帶吸波器實驗驗證

原文鏈接：
https://journals.aps.org/prappli ... evApplied.16.014066