基于气溶胶喷墨打印的太赫兹超材料结构仿真与制备研究

朱超挺 徐步光 张远明 张鑫明 朱雪岩

（1、宁波蓝野医疗器械有限公司，浙江 宁波315100 2、中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波315100）

1 概述

具有理想电磁响应的人造材料称为超材料（metamaterials）。其通常由周期性亚波长结构组成。通过重复图案（即单胞）的几何形状、线宽大小和开口方向来调控材料与电磁波的相互作用。这为光与物质的相互作用和电磁波的高级操纵开辟了新的可能性。通过超材料的设计和制备有望实现一些非凡的光学现象，如负折射率、完美聚焦和隐形隐身等[1-4]。

目前，研究人员设计研究了各种具有不同功能的太赫兹超材料器件，如窄频带和宽频带光纤[5-7]、调制器[8-10]以及传感器[11-13]。可以预期，太赫兹超材料器件用于检查、安全应用和成像的未来市场前景广阔。

然而，上述太赫兹超材料器件的制备技术强烈依赖于传统的光刻技术。虽然光刻技术所制备的图像精度较高，但针对不同尺寸的单胞结构需要重新定制光刻模板，且光刻胶本身污染严重，制备过程需要严苛的制备环境。因此，急需一种快速和低成本的太赫兹超材料制备方法来满足相应领域的快速发展。

增材制造（Additive manufacturing，AM）在制备太赫兹组件方面被认为是传统方法的替代品。AM的优点包括快速成型、三维打印、低材料损耗、低危险废物产生以及可在平面和非平面结构上制造多种组件。常用的AM技术包括工艺熔融沉积制造(FDM)、立体光固化成型(SLA)、数字光投影技术（DLP）、喷墨打印（IJP）和气溶胶喷射打印（AJP）等。其中像IJP 这样的直写技术，能使含功能材料的液体精确而非接触式地沉积，在过去几年中引起了人们极大的兴趣。利用IJP 技术，研究人员制备了基于聚合物的THz 分束器、银墨基THz 超材料吸收器以及THz 偏光屏[14-16]。然而，IJP 技术也存在一些缺陷：如在非平面结构中难以实现印刷以及制备样品的特征尺寸在几十微米甚至几百微米级别。这些缺陷限制了所制备的THz 器件的工作频段。

AJP 是一种新兴的AM技术。该技术可以在平面和非平面结构上沉积具有高分辨率的周期性图案。与IJP 相比，AJP 制备的样品具有更细的线宽（＜10μm）以及在任意打印路径时打印出线宽相近的弯曲结构。因此，本文尝试采用AJP 技术制备THz超材料器件，并通过理论与实验数据的对比来进一步证实该技术在超材料领域中的可行性。

2 实验

2.1 实验材料

图1

图2

图3 CRR 共振频率与CRR 尺寸的关系

银纳米颗粒墨水购于宁波孟轲仪器设备有限公司，墨水参数及工艺条件如下：银纳米颗粒直径约为30nm；纳米银颗粒固含量（即质量分数）为15%；墨水黏度为20cP；所用玻璃基板为钠钙玻璃，大小为3cm×3cm。

2.2 实验设备

中国科学院宁波材料技术与工程研究所自行设计的气溶胶喷墨打印实验设备进行实验[17]。设备具体参数如下：喷嘴尺寸为200um、雾化器电流保持在0.60mA，不使用打印机级加热器、采用高纯氮气(HP 级，99.998%)作为载气和束缚气体、载气流量为0～50sccm，束缚气体流量为0～400sccm。打印速度为1～100mm/s。

2.3 设计与仿真

两种类型的单胞设计如图1 所示。其中图1（a）为金属封闭谐振环(CRR)。W 为单胞中圆环的线宽，R 为圆环最外层的半径，G 为单胞长度。图1（b）为带阻滤波器，其中W 为线宽，C 为线长，G 为单胞长度。

通过有限积分法(CST Microwave Studio 三维全波仿真软件)对该结构器件进行了数值分析。仿真中，衬底材料统一选用软件材料库中的玻璃基底，厚度设定为1mm，金属银的厚度假定为1μm。CRR 单元尺寸为：W=10μm、20μm、30μm、40μm、50μm，R=80μm、90μm、100μm、110μm、120μm，G=250μm。THz 带 阻 滤 波 器 单 元 尺 寸 为：W=25、50μm，C=450μm，G=500μm。THz 波的传播方向设定为垂直于样品平面，x 和y 方向分别设定为磁场和电场边界条件，如图2 所示。

2.4 测试

采用光学显微镜(德国莱卡DM2500M) 表征样品的表面形貌。采用太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）进行透射特性测试。实验中，太赫兹波的入射方向垂直于器件表面，电场偏振方向有沿x 方向或者y 方向两种情况。

3 结果分析

图4 THz 带阻滤波器共振频率与尺寸的关系

图5 AJP 制备的CRR 金属谐振环

图6 AJP 制备的THz 带阻滤波器

图7 实验与仿真透射谱的结果对比

图3 显示了CRR 结构随着尺寸变化的THz 波段透射仿真图。从图3（a）可以看出，样品在0.1-0.5THz 范围具有一个明显的共振峰。这个共振峰的出现与圆环产生的强电场耦合作用有关。在外电场的作用下，每个CRR 在沿着电场方向的环边上都有振荡电流，这能产生强的电场耦合作用，引起电场响应[18]。为了进一步了解该CRR 结构的性能，我们在软件中设定周期（250μm）、线宽（10μm）不变，将圆环半径从80μm 增加到120μm 时，发现其共振峰的中心频率从0.383THZ 下降到0.204THZ。从上述数据可以得出，CRR 的圆环半径越大，其共振频率越小。图3（b）显示了CRR 透射峰与线宽之间的联系。假定周期（250μm）、半径（80μm）不变，当线宽从10μm 增加到50μm 时，其中心频率从0.383 THZ 上升到0.486THZ。说明CRR 的圆环线宽越大，其共振频率越大。

图4 显示了2 个不同尺寸的带阻滤波器的透射图。该过滤器由线宽(W)为25μm、50 μm，线长(C)为450μm，单胞长度(G)为500μm 的金属交叉组成。从图中可以发现，每个结构在0.1-0.22THz 范围具有一个明显的共振峰。当W 为25μm 和50μm 时，其中心频率分别为0.163THz 和0.164THz。说明其共振峰的峰位与线宽无关。

图5 与图6 分别展示了采用AJP 技术制备的CRR 共振环和THz 带阻滤波器。其中，CRR 的线宽约为29.7μm，半径约为78.8μm，单胞长度约为496.7μm。

在图5（b）中可以发现，圆环周边有一些银纳米颗粒的散点，这是气溶胶喷射过程中溢溅所致。图5（c）为电流与电压图，经测试圆环为导电状态，证明所制备的样品为连续导线，不存在断点的情况。图6 中的带阻滤波器的线宽约为28.8μm，线长约为445μm，单胞长度约为493μm。总体满足样品的设计要求。且单胞为连续无断点情况。

为进一步验证AJP 方法制备THz 超材料的可行性。我们对上述制备的样品进行了THz 波段的透射测试。其结果如图7 所示。从图中可以发现，理论与实验结果有较高的相似度。其中的不同来自于两方面的原因：

（1）实验制备的样品尺寸与理论拟合有一定程度的差别；（2）实验制得的银线导电率与从仿真软件中导入的数据存在误差。

4 结论

综上所述，我们演示了在玻璃衬底上采用气溶胶喷射打印方法制备CRR 金属谐振环和THz 带阻滤波器。结果表明，该打印方法对于需要精细线宽的太赫兹超材料制造是可行的。与喷墨打印相比，本文提出的技术提供了打印较小特征的可能性以及灵活性。未来的研究可以进一步利用数字打印方法创建任意形状的太赫兹超材料，甚至3D-AJ 打印超材料。