基于氣溶膠噴墨打印的太赫茲超材料結(jié)構(gòu)仿真與制備研究

朱超挺 徐步光 張遠(yuǎn)明 張鑫明 朱雪巖

（1、寧波藍(lán)野醫(yī)療器械有限公司，浙江 寧波315100 2、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波315100）

1 概述

具有理想電磁響應(yīng)的人造材料稱為超材料（metamaterials）。其通常由周期性亞波長結(jié)構(gòu)組成。通過重復(fù)圖案（即單胞）的幾何形狀、線寬大小和開口方向來調(diào)控材料與電磁波的相互作用。這為光與物質(zhì)的相互作用和電磁波的高級操縱開辟了新的可能性。通過超材料的設(shè)計和制備有望實現(xiàn)一些非凡的光學(xué)現(xiàn)象，如負(fù)折射率、完美聚焦和隱形隱身等[1-4]。

目前，研究人員設(shè)計研究了各種具有不同功能的太赫茲超材料器件，如窄頻帶和寬頻帶光纖[5-7]、調(diào)制器[8-10]以及傳感器[11-13]?？梢灶A(yù)期，太赫茲超材料器件用于檢查、安全應(yīng)用和成像的未來市場前景廣闊。

然而，上述太赫茲超材料器件的制備技術(shù)強(qiáng)烈依賴于傳統(tǒng)的光刻技術(shù)。雖然光刻技術(shù)所制備的圖像精度較高，但針對不同尺寸的單胞結(jié)構(gòu)需要重新定制光刻模板，且光刻膠本身污染嚴(yán)重，制備過程需要嚴(yán)苛的制備環(huán)境。因此，急需一種快速和低成本的太赫茲超材料制備方法來滿足相應(yīng)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

增材制造（Additive manufacturing，AM）在制備太赫茲組件方面被認(rèn)為是傳統(tǒng)方法的替代品。AM的優(yōu)點包括快速成型、三維打印、低材料損耗、低危險廢物產(chǎn)生以及可在平面和非平面結(jié)構(gòu)上制造多種組件。常用的AM技術(shù)包括工藝熔融沉積制造(FDM)、立體光固化成型(SLA)、數(shù)字光投影技術(shù)（DLP）、噴墨打?。↖JP）和氣溶膠噴射打印（AJP）等。其中像IJP 這樣的直寫技術(shù)，能使含功能材料的液體精確而非接觸式地沉積，在過去幾年中引起了人們極大的興趣。利用IJP 技術(shù)，研究人員制備了基于聚合物的THz 分束器、銀墨基THz 超材料吸收器以及THz 偏光屏[14-16]。然而，IJP 技術(shù)也存在一些缺陷：如在非平面結(jié)構(gòu)中難以實現(xiàn)印刷以及制備樣品的特征尺寸在幾十微米甚至幾百微米級別。這些缺陷限制了所制備的THz 器件的工作頻段。

AJP 是一種新興的AM技術(shù)。該技術(shù)可以在平面和非平面結(jié)構(gòu)上沉積具有高分辨率的周期性圖案。與IJP 相比，AJP 制備的樣品具有更細(xì)的線寬（＜10μm）以及在任意打印路徑時打印出線寬相近的彎曲結(jié)構(gòu)。因此，本文嘗試采用AJP 技術(shù)制備THz超材料器件，并通過理論與實驗數(shù)據(jù)的對比來進(jìn)一步證實該技術(shù)在超材料領(lǐng)域中的可行性。

2 實驗

2.1 實驗材料

圖1

圖2

圖3 CRR 共振頻率與CRR 尺寸的關(guān)系

銀納米顆粒墨水購于寧波孟軻儀器設(shè)備有限公司，墨水參數(shù)及工藝條件如下：銀納米顆粒直徑約為30nm；納米銀顆粒固含量（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為15%；墨水黏度為20cP；所用玻璃基板為鈉鈣玻璃，大小為3cm×3cm。

2.2 實驗設(shè)備

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所自行設(shè)計的氣溶膠噴墨打印實驗設(shè)備進(jìn)行實驗[17]。設(shè)備具體參數(shù)如下：噴嘴尺寸為200um、霧化器電流保持在0.60mA，不使用打印機(jī)級加熱器、采用高純氮氣(HP 級，99.998%)作為載氣和束縛氣體、載氣流量為0～50sccm，束縛氣體流量為0～400sccm。打印速度為1～100mm/s。

2.3 設(shè)計與仿真

兩種類型的單胞設(shè)計如圖1 所示。其中圖1（a）為金屬封閉諧振環(huán)(CRR)。W 為單胞中圓環(huán)的線寬，R 為圓環(huán)最外層的半徑，G 為單胞長度。圖1（b）為帶阻濾波器，其中W 為線寬，C 為線長，G 為單胞長度。

通過有限積分法(CST Microwave Studio 三維全波仿真軟件)對該結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了數(shù)值分析。仿真中，襯底材料統(tǒng)一選用軟件材料庫中的玻璃基底，厚度設(shè)定為1mm，金屬銀的厚度假定為1μm。CRR 單元尺寸為：W=10μm、20μm、30μm、40μm、50μm，R=80μm、90μm、100μm、110μm、120μm，G=250μm。THz 帶 阻 濾 波 器 單 元 尺 寸 為：W=25、50μm，C=450μm，G=500μm。THz 波的傳播方向設(shè)定為垂直于樣品平面，x 和y 方向分別設(shè)定為磁場和電場邊界條件，如圖2 所示。

2.4 測試

采用光學(xué)顯微鏡(德國萊卡DM2500M) 表征樣品的表面形貌。采用太赫茲時域光譜系統(tǒng)（THz-TDS）進(jìn)行透射特性測試。實驗中，太赫茲波的入射方向垂直于器件表面，電場偏振方向有沿x 方向或者y 方向兩種情況。

3 結(jié)果分析

圖4 THz 帶阻濾波器共振頻率與尺寸的關(guān)系

圖5 AJP 制備的CRR 金屬諧振環(huán)

圖6 AJP 制備的THz 帶阻濾波器

圖7 實驗與仿真透射譜的結(jié)果對比

圖3 顯示了CRR 結(jié)構(gòu)隨著尺寸變化的THz 波段透射仿真圖。從圖3（a）可以看出，樣品在0.1-0.5THz 范圍具有一個明顯的共振峰。這個共振峰的出現(xiàn)與圓環(huán)產(chǎn)生的強(qiáng)電場耦合作用有關(guān)。在外電場的作用下，每個CRR 在沿著電場方向的環(huán)邊上都有振蕩電流，這能產(chǎn)生強(qiáng)的電場耦合作用，引起電場響應(yīng)[18]。為了進(jìn)一步了解該CRR 結(jié)構(gòu)的性能，我們在軟件中設(shè)定周期（250μm）、線寬（10μm）不變，將圓環(huán)半徑從80μm 增加到120μm 時，發(fā)現(xiàn)其共振峰的中心頻率從0.383THZ 下降到0.204THZ。從上述數(shù)據(jù)可以得出，CRR 的圓環(huán)半徑越大，其共振頻率越小。圖3（b）顯示了CRR 透射峰與線寬之間的聯(lián)系。假定周期（250μm）、半徑（80μm）不變，當(dāng)線寬從10μm 增加到50μm 時，其中心頻率從0.383 THZ 上升到0.486THZ。說明CRR 的圓環(huán)線寬越大，其共振頻率越大。

圖4 顯示了2 個不同尺寸的帶阻濾波器的透射圖。該過濾器由線寬(W)為25μm、50 μm，線長(C)為450μm，單胞長度(G)為500μm 的金屬交叉組成。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，每個結(jié)構(gòu)在0.1-0.22THz 范圍具有一個明顯的共振峰。當(dāng)W 為25μm 和50μm 時，其中心頻率分別為0.163THz 和0.164THz。說明其共振峰的峰位與線寬無關(guān)。

圖5 與圖6 分別展示了采用AJP 技術(shù)制備的CRR 共振環(huán)和THz 帶阻濾波器。其中，CRR 的線寬約為29.7μm，半徑約為78.8μm，單胞長度約為496.7μm。

在圖5（b）中可以發(fā)現(xiàn)，圓環(huán)周邊有一些銀納米顆粒的散點，這是氣溶膠噴射過程中溢濺所致。圖5（c）為電流與電壓圖，經(jīng)測試圓環(huán)為導(dǎo)電狀態(tài)，證明所制備的樣品為連續(xù)導(dǎo)線，不存在斷點的情況。圖6 中的帶阻濾波器的線寬約為28.8μm，線長約為445μm，單胞長度約為493μm。總體滿足樣品的設(shè)計要求。且單胞為連續(xù)無斷點情況。

為進(jìn)一步驗證AJP 方法制備THz 超材料的可行性。我們對上述制備的樣品進(jìn)行了THz 波段的透射測試。其結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，理論與實驗結(jié)果有較高的相似度。其中的不同來自于兩方面的原因：

（1）實驗制備的樣品尺寸與理論擬合有一定程度的差別；（2）實驗制得的銀線導(dǎo)電率與從仿真軟件中導(dǎo)入的數(shù)據(jù)存在誤差。

4 結(jié)論

綜上所述，我們演示了在玻璃襯底上采用氣溶膠噴射打印方法制備CRR 金屬諧振環(huán)和THz 帶阻濾波器。結(jié)果表明，該打印方法對于需要精細(xì)線寬的太赫茲超材料制造是可行的。與噴墨打印相比，本文提出的技術(shù)提供了打印較小特征的可能性以及靈活性。未來的研究可以進(jìn)一步利用數(shù)字打印方法創(chuàng)建任意形狀的太赫茲超材料，甚至3D-AJ 打印超材料。