中國(guó)計(jì)量大學(xué)突破傳統(tǒng)制備：常溫下實(shí)現(xiàn)二氧化釩相變調(diào)控的3D打印超材料吸波器

來(lái)源：ASNChina

近年來(lái)，太赫茲（THz）波作為介于微波與紅外光之間的電磁輻射，因其獨(dú)特的物理特性在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域引發(fā)了廣泛的研究興趣。開發(fā)小型化、集成化的實(shí)用太赫茲系統(tǒng)是該領(lǐng)域的一個(gè)重要目標(biāo)，其進(jìn)展在很大程度上依賴于太赫茲探測(cè)器、調(diào)制器、開關(guān)及吸收器等核心微型元器件的技術(shù)進(jìn)步。超材料（Metamaterials）作為一種通過(guò)人工設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元來(lái)排列構(gòu)成的新型復(fù)合材料，能夠表現(xiàn)出許多自然材料所不具備的超常電磁與光學(xué)特性，例如負(fù)折射率、反常多普勒效應(yīng)以及左手行為等，這些特性為在無(wú)線電波至光波范圍內(nèi)自由調(diào)控電磁波提供了可能。電磁超材料的出現(xiàn)與發(fā)展，極大地增強(qiáng)了對(duì)太赫茲波前、振幅及相位的調(diào)控能力，為推進(jìn)太赫茲技術(shù)走向?qū)嵱没峁┝岁P(guān)鍵機(jī)遇。

然而，隨著超材料設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜多樣，以及由超材料構(gòu)成的太赫茲系統(tǒng)集成度不斷提高，其制造加工面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，加工適用于太赫茲波段的超材料結(jié)構(gòu)主要依賴光刻與刻蝕技術(shù)，但這些方法工藝流程繁瑣、成本高昂，且在制造三維空腔或球形等復(fù)雜構(gòu)型時(shí)存在明顯局限。增材制造技術(shù)的興起為超材料的制備開辟了新路徑。在眾多3D打印工藝中，雖然噴墨打印、立體光刻（SLA）、熔融沉積成型（FDM）及直接激光寫入（DLW）等技術(shù)應(yīng)用廣泛，但它們通常難以滿足太赫茲超材料對(duì)極高打印精度和表面質(zhì)量的要求。


基于此，中國(guó)計(jì)量大學(xué)信息工程學(xué)院井緒峰教授和洪治研究員等人設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)制備了一種基于二氧化釩相變調(diào)控的花瓣?duì)畛牧衔ㄆ鳎⒗媚Ψ骄苊嫱队拔⒘Ⅲw光刻（PμSL）技術(shù)與超聲噴涂薄膜法結(jié)合的方法制備兩款共形超材料樣品。這兩種方法的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)雜超材料樣品的制備，對(duì)微納領(lǐng)域可調(diào)諧超材料器件的研究提供了一定的幫助。研究成果以“3D Printed Metamaterial Absorber Based on Vanadium Dioxide Phase Transition Control Prepared at Room Temperature”為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Laser ＆ Photonics Reviews》上。

圖1展示了該研究設(shè)計(jì)的兩種共形超材料結(jié)構(gòu)：平面型結(jié)構(gòu)與半球形結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)在宏觀上有平面型和半球形的差異，但是在微觀超材料周期單元上均為相同的花瓣?duì)畛牧辖Y(jié)構(gòu)。平面型結(jié)構(gòu)和半球形結(jié)構(gòu)的3D打印樣品結(jié)構(gòu)清晰且完整。圖2為摩方精密microArch® S230（精度：2μm）3D打印花瓣?duì)畛牧衔ㄆ鞯牧鞒桃约俺晣娡糠ㄍ扛捕趸C薄膜的制備流程。在該研究中，超材料樣品使用的是光學(xué)精度2μm，層厚5μm的高精度低層厚的摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)。在制備完成的超材料樣品表面，使用超聲波噴涂設(shè)備在室溫下進(jìn)行二氧化釩納米墨水超聲噴涂工藝。圖3利用太赫茲時(shí)域光譜儀（THz-TDS）對(duì)制備樣品進(jìn)行了性能表征。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，采用了一種特殊的加熱方式——非接觸式加熱法。非接觸式加熱法是通過(guò)加熱樣品周圍的空氣，使得整個(gè)樣品處于一個(gè)溫度恒定的空間中，樣品的溫度可控、變化穩(wěn)定且受熱均勻。同時(shí)，加熱裝置不與樣品接觸，從而避免了其對(duì)樣品測(cè)試性能的影響。

圖1. 基于二氧化釩相變調(diào)控的3D打印花瓣?duì)畛牧衔ㄆ鳌?a) 平面型和 (b) 半球形花瓣?duì)畛牧辖Y(jié)構(gòu)示意圖；(c) 平面型結(jié)構(gòu)和半球形結(jié)構(gòu)的3D打印樣品；表面噴涂二氧化釩薄膜后的 (d) 平面型和 (e) 半球形花瓣?duì)畛牧辖Y(jié)構(gòu)示意圖；(f) 花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)周期單元的尺寸示意圖。

圖2.  基于二氧化釩相變調(diào)控的花瓣?duì)畛牧衔ㄆ鞯闹苽淞鞒獭?a) 摩方面投影微立體光刻 (PμSL) 技術(shù)的打印流程以及 (b) 3D打印的超材料樣品示意圖；(c) 超聲噴涂法涂覆二氧化釩薄膜的制備流程以及 (d) 涂覆了二氧化釩薄膜的超材料樣品。

在二氧化釩處于絕緣態(tài)時(shí)，超材料吸波器的模擬吸收效果基本為0，當(dāng)其處于金屬態(tài)時(shí)，超材料吸波器的吸收峰值可達(dá)99.5%，巨大的吸收差異顯示了其優(yōu)異的調(diào)制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)二氧化釩處于絕緣態(tài)時(shí)，超材料樣品的吸收率基本為0，當(dāng)二氧化釩處于金屬態(tài)時(shí)，超材料樣品的吸收率隨著頻率的升高而增強(qiáng)，峰值吸收率約為~ 0.937。在0 ~ 45°范圍內(nèi)，半球形超材料樣品的吸收性能并未隨著入射角度的改變而明顯變化，這意味著制備的半球形超材料樣品對(duì)于入射角度是不敏感的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算的高度吻合證明了本研究方法的穩(wěn)定性。該方法為太赫茲可調(diào)諧超材料器件的設(shè)計(jì)、制備與測(cè)試提供了新的方案，在太赫茲調(diào)制器、隱身器件、光開關(guān)等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。

圖3. 超材料樣品的性能表征。(a) 用于二氧化釩熱調(diào)控的非接觸式加熱法示意圖；(b) 基于二氧化釩相變調(diào)控的平面型花瓣?duì)畛牧衔ㄆ髟诮饘賾B(tài)和絕緣態(tài)時(shí)的吸收特性；(c) 在金屬態(tài) (100℃) 時(shí)，基于二氧化釩相變調(diào)控的半球形花瓣?duì)畛牧衔ㄆ髟诓煌肷浣窍碌奈仗匦浴?/div>

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202401673