西安交通大學(xué)張留洋課題組《IEEE TMTT》：基于微納3D打印和微流道液態(tài)金屬填充的寬帶和多帶太赫茲超材料

3D結(jié)構(gòu)的超材料器件由于能通過(guò)增加入射電磁波和結(jié)構(gòu)之間的重疊空間來(lái)增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用并在調(diào)控太赫茲波方面提供額外的自由度，展現(xiàn)出比傳統(tǒng)平面2D結(jié)構(gòu)超材料更大的應(yīng)用潛力。然而傳統(tǒng)的制造方法在制備3D結(jié)構(gòu)器件上依然存在許多障礙，通過(guò)集成光刻、沉積、蝕刻、LIGA等一系列程序來(lái)制造3D復(fù)雜結(jié)構(gòu)不僅存在耗時(shí)和經(jīng)驗(yàn)要求高等缺點(diǎn)，且所構(gòu)建的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足需求。

新的加工工藝不斷被提出以開(kāi)發(fā)此類復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)超材料器件，主要的新方法包括剪紙/折紙工藝、3D打印技術(shù)、液態(tài)金屬填充技術(shù)等。其中，3D打印技術(shù)雖能勝任復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造，但在太赫茲超材料的特征尺寸范圍內(nèi)，大多數(shù)3D打印方法在打印過(guò)程中只能使用單一材料，而許多器件同時(shí)需要多種材料來(lái)支撐復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和電磁功能，因此需結(jié)合其它步驟來(lái)引入額外的材料。如課題組前期工作提出的制備工藝，在通過(guò)微納3D打印技術(shù)直接進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)成型后還需使用鍍膜工藝完成器件的金屬化，由于3D打印技術(shù)的階梯效應(yīng)，3D打印結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜，否則會(huì)對(duì)金薄膜的連續(xù)性造成不利影響，使所謂的3D結(jié)構(gòu)實(shí)際上成為2.5D結(jié)構(gòu)。

在此情形下，將液態(tài)金屬填充到微流道中的液態(tài)金屬填充技術(shù)在克服此問(wèn)題中具有獨(dú)。特的優(yōu)勢(shì)。液態(tài)金屬填充技術(shù)不僅可提供構(gòu)造復(fù)雜幾何形狀的替代方案，還可提供新的金屬化策略。因此，西安交通大學(xué)張留洋老師課題組利用摩方精密提供的nanoArch S130打印系統(tǒng)，提出了一種將微納3D打印技術(shù)與微流道液態(tài)金屬填充技術(shù)相結(jié)合的微結(jié)構(gòu)制備工藝，作為概念驗(yàn)證，通過(guò)所提出的制備策略制備了兩種具有寬帶和多頻段特性的典型超材料，實(shí)驗(yàn)獲得了與理論仿真吻合較好的響應(yīng)光譜。該論文以“Broadband and Multiband Terahertz Metamaterials Based on 3-D-Printed Liquid Metal-Filled Microchannel”為題發(fā)表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》期刊上。

圖 1 3D太赫茲超材料的制造工藝示意圖：(a)PμSL 3D打印系統(tǒng)，(b)3D打印超材料樣品和(c)超材料樣品的真空泵送和液態(tài)金屬填充裝置。

相較于傳統(tǒng)MEMS工藝善于加工2D結(jié)構(gòu)的不同，微納3D打印技術(shù)在構(gòu)建復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)方面具備顯著優(yōu)勢(shì)。圖 1為3D結(jié)構(gòu)微流道器件的加工流程圖，流程簡(jiǎn)述如下：通過(guò)3D打印機(jī)（圖 1(a)）逐層固化BIO樹(shù)脂，得到包含微流道結(jié)構(gòu)樣品（圖 1(b)）；將所得樹(shù)脂結(jié)構(gòu)浸入異丙醇中約10分鐘以洗掉微流道中殘余的樹(shù)脂；最后進(jìn)行液態(tài)金屬填充實(shí)現(xiàn)金屬化，液態(tài)金屬填充裝置如圖 1(c)所示。

為證明所提出制備工藝的可行性，首先設(shè)計(jì)了如圖 2所示的太赫茲寬帶吸波器，其超分子由兩個(gè)相互貫穿的圓盤(pán)組成。填充前后的結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下的情形分別如圖 3(a)和圖 3(c)所示，在充分填充后按圖 3(f)中的流程沖洗表面多余的液態(tài)金屬。從圖 3(e)可看出，實(shí)驗(yàn)光譜和仿真計(jì)算光譜均顯示出高吸收率、大帶寬的特征，表明所提出的吸波器能在寬頻率范圍內(nèi)有效吸收入射太赫茲波。

圖 2 基于微流道的太赫茲寬帶吸波器：(a)陣列和(b)超分子。

圖 3 3D打印寬帶吸波器液態(tài)金屬填充前(a)和填充后(c)的光學(xué)顯微圖像，(b)和(d)為局部放大圖；(e)模擬和測(cè)量的吸收光譜；(f)吸收器頂部多余的液態(tài)金屬?zèng)_洗示意圖。

類似地，依據(jù)所提出的制備工藝，設(shè)計(jì)并制備了第二種太赫茲超材料（圖 4），其由兩對(duì)垂直交叉的開(kāi)口環(huán)組成，在完成液態(tài)金屬填充后能在頻率為0.1至3.0 THz的范圍內(nèi)形成了五個(gè)共振波谷，因此該基于垂直開(kāi)口環(huán)的超材料可歸類為多帶太赫茲超材料。每一個(gè)共振波谷的反射都接近或超過(guò)-20 dB，表明吸收率可達(dá)到99%。此外，橙色線表示通過(guò)THz-TDS測(cè)量的反射譜，其中諧振頻率和振幅與模擬結(jié)果基本一致。

圖 4 基于微流道的多帶太赫茲反射器件：(a)陣列和(b)超分子。

圖 5 太赫茲多帶超材料的顯微鏡圖像：(a)液態(tài)金屬填充前和(c)液態(tài)金屬充填后；(b)和(d)為相應(yīng)的放大圖像。(e)模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的反射光譜。