基于氣溶膠噴墨打印的太赫茲超材料結構仿真與制備研究

朱超挺 徐步光 張遠明 張鑫明 朱雪巖

（1、寧波藍野醫療器械有限公司，浙江 寧波315100 2、中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波315100）

1 概述

具有理想電磁響應的人造材料稱為超材料（metamaterials）。其通常由周期性亞波長結構組成。通過重復圖案（即單胞）的幾何形狀、線寬大小和開口方向來調控材料與電磁波的相互作用。這為光與物質的相互作用和電磁波的高級操縱開辟了新的可能性。通過超材料的設計和制備有望實現一些非凡的光學現象，如負折射率、完美聚焦和隱形隱身等[1-4]。

目前，研究人員設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]、調制器[8-10]以及傳感器[11-13]。可以預期，太赫茲超材料器件用于檢查、安全應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強烈依賴于傳統的光刻技術。雖然光刻技術所制備的圖像精度較高，但針對不同尺寸的單胞結構需要重新定制光刻模板，且光刻膠本身污染嚴重，制備過程需要嚴苛的制備環境。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領域的快速發展。

增材制造（Additive manufacturing，AM）在制備太赫茲組件方面被認為是傳統方法的替代品。AM的優點包括快速成型、三維打印、低材料損耗、低危險廢物產生以及可在平面和非平面結構上制造多種組件。常用的AM技術包括工藝熔融沉積制造(FDM)、立體光固化成型(SLA)、數字光投影技術（DLP）、噴墨打印（IJP）和氣溶膠噴射打印（AJP）等。其中像IJP 這樣的直寫技術，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，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 技術也存在一些缺陷：如在非平面結構中難以實現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。該技術可以在平面和非平面結構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構。因此，本文嘗試采用AJP 技術制備THz超材料器件，并通過理論與實驗數據的對比來進一步證實該技術在超材料領域中的可行性。

2 實驗

2.1 實驗材料

圖1

圖2

圖3 CRR 共振頻率與CRR 尺寸的關系

銀納米顆粒墨水購于寧波孟軻儀器設備有限公司，墨水參數及工藝條件如下：銀納米顆粒直徑約為30nm；納米銀顆粒固含量（即質量分數）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 實驗設備

中國科學院寧波材料技術與工程研究所自行設計的氣溶膠噴墨打印實驗設備進行實驗[17]。設備具體參數如下：噴嘴尺寸為200um、霧化器電流保持在0.60mA，不使用打印機級加熱器、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 設計與仿真

兩種類型的單胞設計如圖1 所示。其中圖1（a）為金屬封閉諧振環(CRR)。W 為單胞中圓環的線寬，R 為圓環最外層的半徑，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)對該結構器件進行了數值分析。仿真中，襯底材料統一選用軟件材料庫中的玻璃基底，厚度設定為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 波的傳播方向設定為垂直于樣品平面，x 和y 方向分別設定為磁場和電場邊界條件，如圖2 所示。

2.4 測試

采用光學顯微鏡(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（THz-TDS）進行透射特性測試。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 結果分析

圖4 THz 帶阻濾波器共振頻率與尺寸的關系

圖5 AJP 制備的CRR 金屬諧振環

圖6 AJP 制備的THz 帶阻濾波器

圖7 實驗與仿真透射譜的結果對比

圖3 顯示了CRR 結構隨著尺寸變化的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。這個共振峰的出現與圓環產生的強電場耦合作用有關。在外電場的作用下，每個CRR 在沿著電場方向的環邊上都有振蕩電流，這能產生強的電場耦合作用，引起電場響應[18]。為了進一步了解該CRR 結構的性能，我們在軟件中設定周期（250μm）、線寬（10μm）不變，將圓環半徑從80μm 增加到120μm 時，發現其共振峰的中心頻率從0.383THZ 下降到0.204THZ。從上述數據可以得出，CRR 的圓環半徑越大，其共振頻率越小。圖3（b）顯示了CRR 透射峰與線寬之間的聯系。假定周期（250μm）、半徑（80μm）不變，當線寬從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。從圖中可以發現，每個結構在0.1-0.22THz 范圍具有一個明顯的共振峰。當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。

圖5 與圖6 分別展示了采用AJP 技術制備的CRR 共振環和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）中可以發現，圓環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，經測試圓環為導電狀態，證明所制備的樣品為連續導線，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。總體滿足樣品的設計要求。且單胞為連續無斷點情況。

為進一步驗證AJP 方法制備THz 超材料的可行性。我們對上述制備的樣品進行了THz 波段的透射測試。其結果如圖7 所示。從圖中可以發現，理論與實驗結果有較高的相似度。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）實驗制得的銀線導電率與從仿真軟件中導入的數據存在誤差。

4 結論

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 金屬諧振環和THz 帶阻濾波器。結果表明，該打印方法對于需要精細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。未來的研究可以進一步利用數字打印方法創建任意形狀的太赫茲超材料，甚至3D-AJ 打印超材料。