西安交通大学张留洋课题组《IEEE TMTT》：基于微纳3D打印和微流道液态金属填充的宽带和多带太赫兹超材料

3D结构的超材料器件由于能通过增加入射电磁波和结构之间的重叠空间来增强光与物质的相互作用并在调控太赫兹波方面提供额外的自由度，展现出比传统平面2D结构超材料更大的应用潜力。然而传统的制造方法在制备3D结构器件上依然存在许多障碍，通过集成光刻、沉积、蚀刻、LIGA等一系列程序来制造3D复杂结构不仅存在耗时和经验要求高等缺点，且所构建的复杂3D结构无法满足需求。

新的加工工艺不断被提出以开发此类复杂3D结构超材料器件，主要的新方法包括剪纸/折纸工艺、3D打印技术、液态金属填充技术等。其中，3D打印技术虽能胜任复杂几何结构的制造，但在太赫兹超材料的特征尺寸范围内，大多数3D打印方法在打印过程中只能使用单一材料，而许多器件同时需要多种材料来支撑复杂的结构和电磁功能，因此需结合其它步骤来引入额外的材料。如课题组前期工作提出的制备工艺，在通过微纳3D打印技术直接进行主体结构成型后还需使用镀膜工艺完成器件的金属化，由于3D打印技术的阶梯效应，3D打印结构不能太复杂，否则会对金薄膜的连续性造成不利影响，使所谓的3D结构实际上成为2.5D结构。

在此情形下，将液态金属填充到微流道中的液态金属填充技术在克服此问题中具有独特的优势。液态金属填充技术不仅可提供构造复杂几何形状的替代方案，还可提供新的金属化策略。因此，西安交通大学张留洋老师课题组利用摩方精密提供的nanoArch S130打印系统，提出了一种将微纳3D打印技术与微流道液态金属填充技术相结合的微结构制备工艺，作为概念验证，通过所提出的制备策略制备了两种具有宽带和多频段特性的典型超材料，实验获得了与理论仿真吻合较好的响应光谱。该论文以“Broadband and Multiband Terahertz Metamaterials Based on 3-D-Printed Liquid Metal-Filled Microchannel”为题发表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》期刊上。

图 1 3D太赫兹超材料的制造工艺示意图：(a)PμSL 3D打印系统，(b)3D打印超材料样品和(c)超材料样品的真空泵送和液态金属填充装置。

相较于传统MEMS工艺善于加工2D结构的不同，微纳3D打印技术在构建复杂3D结构方面具备显著优势。图 1为3D结构微流道器件的加工流程图，流程简述如下：通过3D打印机（图 1(a)）逐层固化BIO树脂，得到包含微流道结构样品（图 1(b)）；将所得树脂结构浸入异丙醇中约10分钟以洗掉微流道中残余的树脂；最后进行液态金属填充实现金属化，液态金属填充装置如图 1(c)所示。

为证明所提出制备工艺的可行性，首先设计了如图 2所示的太赫兹宽带吸波器，其超分子由两个相互贯穿的圆盘组成。填充前后的结构在光学显微镜下的情形分别如图 3(a)和图 3(c)所示，在充分填充后按图 3(f)中的流程冲洗表面多余的液态金属。从图 3(e)可看出，实验光谱和仿真计算光谱均显示出高吸收率、大带宽的特征，表明所提出的吸波器能在宽频率范围内有效吸收入射太赫兹波。

图 2 基于微流道的太赫兹宽带吸波器：(a)阵列和(b)超分子。

图 3 3D打印宽带吸波器液态金属填充前(a)和填充后(c)的光学显微图像，(b)和(d)为局部放大图；(e)模拟和测量的吸收光谱；(f)吸收器顶部多余的液态金属冲洗示意图。

类似地，依据所提出的制备工艺，设计并制备了第二种太赫兹超材料（图 4），其由两对垂直交叉的开口环组成，在完成液态金属填充后能在频率为0.1至3.0 THz的范围内形成了五个共振波谷，因此该基于垂直开口环的超材料可归类为多带太赫兹超材料。每一个共振波谷的反射都接近或超过-20 dB，表明吸收率可达到99%。此外，橙色线表示通过THz-TDS测量的反射谱，其中谐振频率和振幅与模拟结果基本一致。

图 4 基于微流道的多带太赫兹反射器件：(a)阵列和(b)超分子。

图 5 太赫兹多带超材料的显微镜图像：(a)液态金属填充前和(c)液态金属充填后；(b)和(d)为相应的放大图像。(e)模拟和实验测量的反射光谱。

原文链接：

https://doi.org/10.1109/TMTT.2023.3278945