中國計量大學突破傳統(tǒng)制備：常溫下實現(xiàn)二氧化釩相變調(diào)控的3D打印超材料吸波器

來源：ASNChina

近年來，太赫茲（THz）波作為介于微波與紅外光之間的電磁輻射，因其獨特的物理特性在多個學科領(lǐng)域引發(fā)了廣泛的研究興趣。開發(fā)小型化、集成化的實用太赫茲系統(tǒng)是該領(lǐng)域的一個重要目標，其進展在很大程度上依賴于太赫茲探測器、調(diào)制器、開關(guān)及吸收器等核心微型元器件的技術(shù)進步。超材料（Metamaterials）作為一種通過人工設(shè)計亞波長結(jié)構(gòu)單元來排列構(gòu)成的新型復合材料，能夠表現(xiàn)出許多自然材料所不具備的超常電磁與光學特性，例如負折射率、反常多普勒效應以及左手行為等，這些特性為在無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，極大地增強了對太赫茲波前、振幅及相位的調(diào)控能力，為推進太赫茲技術(shù)走向?qū)嵱没峁┝岁P(guān)鍵機遇。

然而，隨著超材料設(shè)計日趨復雜多樣，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雜構(gòu)型時存在明顯局限。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)應用廣泛，但它們通常難以滿足太赫茲超材料對極高打印精度和表面質(zhì)量的要求。


基于此，中國計量大學信息工程學院井緒峰教授和洪治研究員等人設(shè)計和實驗制備了一種基于二氧化釩相變調(diào)控的花瓣狀超材料吸波器，并利用摩方精密面投影微立體光刻（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)合可以實現(xiàn)高精度復雜超材料樣品的制備，對微納領(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)表在國際著名學術(shù)期刊《Laser ＆ Photonics Reviews》上。

圖1展示了該研究設(shè)計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狀超材料結(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打印花瓣狀超材料吸波器的流程以及超聲噴涂法涂覆二氧化釩薄膜的制備流程。在該研究中，超材料樣品使用的是光學精度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)備在室溫下進行二氧化釩納米墨水超聲噴涂工藝。圖3利用太赫茲時域光譜儀（THz-TDS）對制備樣品進行了性能表征。在實驗測試過程中，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加熱樣品周圍的空氣，使得整個樣品處于一個溫度恒定的空間中，樣品的溫度可控、變化穩(wěn)定且受熱均勻。同時，加熱裝置不與樣品接觸，從而避免了其對樣品測試性能的影響。

圖1. 基于二氧化釩相變調(diào)控的3D打印花瓣狀超材料吸波器。(a) 平面型和 (b) 半球形花瓣狀超材料結(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) 半球形花瓣狀超材料結(jié)構(gòu)示意圖；(f) 花瓣狀結(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)控的花瓣狀超材料吸波器的制備流程。(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，超材料吸波器的模擬吸收效果基本為0，當其處于金屬態(tài)時，超材料吸波器的吸收峰值可達99.5%，巨大的吸收差異顯示了其優(yōu)異的調(diào)制性能。實驗結(jié)果顯示，當二氧化釩處于絕緣態(tài)時，超材料樣品的吸收率基本為0，當二氧化釩處于金屬態(tài)時，超材料樣品的吸收率隨著頻率的升高而增強，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于入射角度是不敏感的。實驗結(jié)果與仿真計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、制備與測試提供了新的方案，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)控的平面型花瓣狀超材料吸波器在金屬態(tài)和絕緣態(tài)時的吸收特性；(c) 在金屬態(tài) (100℃) 時，基于二氧化釩相變調(diào)控的半球形花瓣狀超材料吸波器在不同入射角下的吸收特性。

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