CN113193380A - 基于微纳3d打印的太赫兹超材料吸波器制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，方法中，对太赫兹超材料吸波器三维建模形成三维模型，所述三维模型包括多个超材料结构单元，切片所述三维模型，以在第一金属层上微纳3D打印形成三维结构，基于定向性沉积工艺在所述三维结构的顶表面沉积预定厚度的第二金属层。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹超材料技术领域，尤其涉及一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法。
背景技术
目前太赫兹波段超材料受其亚波长的特征尺寸的限制(几十到几百微米)，制造手段主要依赖于传统微纳制造，通过光刻等工艺流程制造设计出超材料特征结构。
传统的立体光固化成型(stereolithography，SL)在加工三维空间结构时，需要采用多次光刻工艺，即多次涂胶、曝光、剥离的过程，还有电子束光刻、离子束刻蚀、离子注入等辅助工艺，其工艺繁琐度可能是二维结构的几倍。尽管微纳制造工艺可以非常有效地制造太赫兹超材料，但其也存在工艺步骤多，制造时间长，制造费用高、以及难以加工三维结构等共性问题。
微立体光刻是在传统立体光固化成型基础上发展起来的一种新型微细加工技术，与传统的SL相比，它采用更小的激光光斑(几个微米)，树脂在非常小的面积发生光固化反应，微立体光刻采用的时层厚通常是1～10μm。现有技术中使用了3D打印技术以及点墨机涂刷金属图案的方法制造了可替换的单元细胞结构。其基本单元为在方形金字塔上加载交叉偶极结构，其中方形金字塔为使用3D打印技术制造，然后使用点墨机喷涂十字形与方形两种不同的金属图案。通过十字和方形两种不同的单元结构的组合可以得到不同的电磁透射效果。实验结果表明，所提出的三维FSS在6.47GHz谐振频率下工作，且在不同的入射角度和极化角度的情况下都能稳定工作。该方案所制造的超材料特征尺寸在毫米量级，工作于GHz波段，没有做到特征尺寸在微米量级的太赫兹超材料的制造。其在打印出的树脂模型上涂刷金属图案的方法过于宏观而不能适用于微米尺寸太赫兹超材料的制造。
现有技术在制造超材料吸波器时使用3D打印制造出了树脂十字阶梯形状，然后在十字结构表面使用刷子涂刷银导电浆料使超材料结构可以产生电磁响应。该方案所制造的超材料特征尺寸在毫米量级，工作于GHz波段，没有做到特征尺寸在微米量级的太赫兹超材料的制造。其在打印出的树脂模型上涂刷金属图案的方法过于宏观而不能适用于微米尺寸太赫兹超材料的制造。或者，现有技术通过光固化3D打印制造出树脂模型。然后适用两种不同的工艺完成树脂模型的金属化。一是让树脂模型蘸取导电胶使导电金属胶粘附于树脂模型之上；二是通过磁控溅射然后腐蚀剂腐蚀多余金属的方法完成树脂模型的金属化。通过该种工艺方法可以制造工作频段接近太赫兹频段的超材料，但仍未完全达到太赫兹频率，其蘸取导电胶与使用金属腐蚀剂腐蚀多余金属的工艺步骤不光使整体制造工艺趋于繁琐而且无法解决太赫兹超材料微米级别尺寸的操作问题。
现有技术存在工艺步骤多，制造时间长，制造费用高、以及难以加工三维结构等共性问题。另外也有最小制造尺寸过大，制造精度低，且树脂模型的金属化工艺过程过于宏观以致在微米尺度无法实施等问题，因而无法完成太赫兹超材料的制造。因此，针对以上各种制造工艺的缺陷和不足，急需实现太赫兹波段吸波器的简单快速、灵活经济地制造。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法。可以简单、快捷、低耗地制造任意特征图案的太赫兹超材料吸波器，以实现单带、多带或宽带的吸波需求。且该工艺可以突破二维平面的限制，加工具有一定高度差的超材料特征图案，以实现更多灵活的应用。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法包括：
对太赫兹超材料吸波器三维建模形成三维模型，所述三维模型由超材料结构单元组成，
切片所述三维模型，以在第一金属层上微纳3D打印形成三维结构，
基于定向性沉积工艺在所述三维结构的顶表面沉积预定厚度的第二金属层。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法中，超材料结构单元包括但不限于以下谐振形状及其组合：圆形、圆环、方形、开口环以及十字型。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法中，第一金属层包括以下材料及其组合：金、银、铜、铝、锌、镍、钨、铁、铬、钛、铂及其合金或聚合物与化合物。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法中，微纳3D打印形成树脂三维结构。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法中，第二金属层包括以下材料及其组合：金、银、铜、铝、锌、镍、钨、铁、铬、钛、铂及其合金或聚合物与化合物。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法中，定向性沉积工艺包括真空蒸发镀膜或真空溅射镀膜等高定向性镀膜沉积工艺。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法中，所述超材料结构单元为周期阵列结构。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法中，所述超材料结构单元为十字型结构，其长为112μm，宽为25μm，高为25μm，周期为280μm，第二金属层的厚度为200nm的金层。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法中，所述超材料结构单元为宽带吸波器单元，所述宽带吸波器单元包括四种十字型结构，其长分别为130μm、140μm、150μm和160μm、，宽均为25μm，高均为25μm，周期为390μm。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法中，所述第二金属层与所述第一金属层材料可以相同或不相同。
在上述技术方案中，本发明提供的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，具有以下有益效果：针对当前太赫兹超材料吸波器制造方法主要依赖于传统的微纳制造工艺，制造过程步骤多、制造工艺复杂、耗时长且经济性差的问题，本发明的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法实现了太赫兹超材料吸波器简单、快速、经济地制造，可以制造任意太赫兹超材料吸波器图案，以匹配的单带、多带或宽带吸波的需求。本方法突破了常见的平面太赫兹超材料，实现了三维超材料的制造，可以极大地提升超材料设计及制造的限制，并提高将超材料吸波器用于传感时的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的超材料结构单元的结构示意图；
图2是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的超材料结构单元的结构示意图；
图3是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的超材料结构单元的结构示意图；
图4是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的超材料结构单元的结构示意图；
图5是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的超材料结构单元的结构示意图；
图6是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的超材料结构单元的结构示意图；
图7是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的十字形吸波器单元的结构示意图；
图8是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的十字型超材料周期阵列示意图；
图9是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的直接在铜片上打印十字超材料模型的结构示意图；
图10是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的完成金层沉积的十字型超材料吸波器的结构示意图；
图11(a)至图11(c)是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的太赫兹时域光谱测量结果和SEM图像，其中，图11(a)为通过THz-TDS实验测量得到的十字型吸波器吸收曲线(实线)和通过电磁仿真软件CST microwave studio仿真得到的吸收曲线(虚线)，图11(b)为十字型吸波器单个单元结构的SEM图像，左下角所示比例尺为20μm，图11(c)为十字型吸波器周期阵列SEM图像；
图12是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的十字组合-宽带吸波器单元示意图；
图13(a)至图13(c)是本发明一个实施方式的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的太赫兹时域光谱测量结果和SEM图像，其中，图13(a)为通过THz-TDS实验测量得到的十字型吸波器吸收曲线(实线)和通过电磁仿真软件CST microwave studio仿真得到的吸收曲线(虚线)，图13(b)为十字型吸波器单个单元结构的SEM图像，左下角所示比例尺为30μm，图13(c)为十字型吸波器周期阵列SEM图像。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图图1至图13(c)，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法包括以下步骤：
对太赫兹超材料吸波器三维建模形成三维模型，所述三维模型包括多个超材料结构单元，
切片所述三维模型，以在第一金属层上微纳3D打印形成三维结构，
基于定向性沉积工艺在所述三维结构的顶表面沉积预定厚度的第二金属层。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的优选实施方式中，超材料结构单元包括以下谐振形状及其组合：圆形、圆环、方形、开口环以及十字型。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的优选实施方式中，第一金属层包括以下材料及其组合：金、银、铜、铝、锌、镍、钨、铁、铬、钛、铂及其合金或聚合物与化合物。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的优选实施方式中，微纳3D打印形成树脂三维结构。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的优选实施方式中，第二金属层包括以下材料及其组合：金、银、铜、铝、锌、镍、钨、铁、铬、钛、铂及其合金或聚合物与化合物。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的优选实施方式中，定向性沉积工艺包括真空蒸发镀膜或真空溅射镀膜。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的优选实施方式中，所述超材料结构单元为周期阵列结构。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的优选实施方式中，所述超材料结构单元为十字型结构，其长为112μm，宽为25μm，高为25μm，周期为280μm，第二金属层的厚度为200nm的金层。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的优选实施方式中，所述超材料结构单元为宽带吸波器单元，所述宽带吸波器单元包括四种十字型结构，其长分别为130μm、140μm、150μm和160μm、，宽均为25μm，高均为25μm，周期为390μm。
所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法的优选实施方式中，所述第二金属层与所述第一金属层材料相同。
在一个实施例中，方法首先使用CAD软件设计出所需超材料吸波器结构，然后使用3D切片软件对模型进行切片处理并导入3D打印机中，在打印时，将树脂模型直接打印于任意种类的金属片上。打印完成后，采用高定向性金属沉积工艺垂直于金属片方向沉积设定厚度的金属，最终形成所需金属谐振型三维超材料。本发明将微纳3D打印技术与高定向性金属沉积技术结合进行太赫兹超材料吸波器的制造，可以简易快速，灵活经济地制造各种太赫兹吸波器。如图1-图5所示，方法可以制造任意吸波器图案，包含但不限于圆形、圆环、方形、开口环以及十字型等基本谐振形状以及它们的任意组合。
在一个实施例中，如图6所示，还可以制造任意有一定高度差的多层三维结构，树脂结构下面为所选用的金属底板，树脂结构直接打印于其上；树脂结构上方为高定向性金属沉积方法所得到的沉积金属层。限定金属沉积工艺的种类为高定向性沉积工艺的原因是，在垂直于金属底板的方向沉积金属时，可以保证金属沉积于树脂模型的上表面，而树脂模型的侧面无金属沉积，进而形成超材料吸波器结构。
在一个实施例中，一种基于3D微纳打印制造太赫兹超材料吸波器的方法，整个制造过程由三个部分组成，分别为超材料三维建模、三维模型的打印制造以及高定向性金属沉积。
步骤一：使用如Solidworks、UGNX等CAD软件对所需求的三维超材料结构进行设计，以标准STL、OBJ等格式输出数字模型，根据所要求的吸波效果，超材料结构单元可以设计为任意谐振形状以及它们的任意组合。
步骤二：将所设计的模型使用3D打印机供应商为该打印机所提供的切片软件或通用切片软件进行处理，使STL、OBJ等文件转换为3D打印机的打印指令。然后使用高分辨率3D微纳打印机在任意金属片上打印模型，得到树脂结构。金属片的作用是使电磁波的透射为零，其种类包含但不限于金、银、铜、铝、锌、镍、钨、铁、铬、钛、铂及其合金或聚合物与化合物。
步骤三：使用高定向性沉积工艺垂直于金属片沉积金属，金属的种类包含但不限于金、银、铜、铝、锌、镍、钨、铁、铬、钛、铂及其合金或聚合物与化合物，其作用是使入射电磁波在其表面激发出表面等离子激元以实现吸波效应。高定向性沉积工艺包括真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜等方法。
为了更好地说明本发明的特性，给出具体的实施例一：选择典型的十字型超材料吸波器作为所提出太赫兹超材料吸波器制造方法的验证对象。吸波器结构以及具体几何参数如图7所示。十字型长l＝112μm，宽b＝25μm，高h＝25μm，周期p＝280μm。
实施例一制造步骤一：适用UGNX三维建模软件完成十字模型的建模，如图8。
实施例一制造步骤二：使用高精度微立体投影微纳3D打印机在铜片上直接打印步骤一所建模的十字型超材料周期阵列，如图9所示。
实施例一制造步骤三：使用电子束蒸发镀膜机垂直于铜片向步骤二所打印完成的十字型超材料周期阵列沉积厚度为200nm的金层，如图10所示。即完成十字型太赫兹超材料吸波器的制造。
实施例一结果讨论：根据所提出的工艺方法完成了实施例一的制造，使用扫描电子显微镜(SEM)与太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)对其进行了形貌和电磁性能的检测，如图11(a)-图11(c)所示。图11(a)为通过THz-TDS实验测量得到的十字型吸波器吸收曲线(实线)和通过电磁仿真软件CST microwave studio仿真得到的吸收曲线(虚线)。仿真所得吸波器在0.9446THz达到了近一吸收，实验测量所得吸波器在0.9397THz实现了完美吸收。仿真与实验的结果非常接近，这里实验吸收曲线的略微展宽是由加工过程中的误差以及电磁波的色散现象造成的。图11(b)为十字型吸波器单个单元结构的SEM图像，左下角所示比例尺为20μm。图11(c)为十字型吸波器周期阵列SEM图像，左下角所示比例尺为100μm。从THz-TDS测量结果和SEM图像可以看出所提出的太赫兹超材料制造方法可以非常有效地完成所设计的十字型单带太赫兹超材料吸波器的制造。
为了进一步说明本发明的特性、优势以及有效性，给出具体的实施例二：一种由基础十字型结构组合而成的宽带吸波器，吸波器结构单元如图12所示。宽带吸波器单元结构由四种不同尺寸的十字单元组成。十字长分别为11＝130μm，12＝140μm，13＝150μm，14＝160μm，宽b＝25μm，高h＝25μm，周期p＝390μm。
实施例二制造过程与实施例一相同，故不再赘述。
实施例二结果讨论：同样使用THz-TDS与SEM对根据本发明提出方法所制造的太赫兹宽带吸波器进行电磁和形貌表征，图13(a)至图13(b)为表征结果。图13(a)为通过THz-TDS实验测量得到的十字型吸波器吸收曲线(实线)和通过电磁仿真软件CST microwavestudio仿真得到的吸收曲线(虚线)。仿真所得吸波器在0.659-0.802THz实现了90％以上的电磁波吸收，实验测量结果与仿真结果非常接近，实现了宽带吸收的效果。图13(b)为十字型吸波器单个单元结构的SEM图像，左下角所示比例尺为30μm。图13(c)为十字型吸波器周期阵列SEM图像，左下角所示比例尺为100μm。从THz-TDS测量结果和SEM图像可以看出所提出的太赫兹超材料制造方法可以非常有效地完成所设计的宽带太赫兹超材料吸波器的制造。
通过实施例一与实施例二验证了所提出的基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造工艺的有效性，证明了其简单、快捷、经济的工艺优势。尽管实施例一与实施例二都采用了基础的十字型超材料结构单元，但不难推出所提出的制造工艺方法适用于任意的超材料结构单元图案，并能够达成任意所需求的吸波效果。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：
对太赫兹超材料吸波器三维建模形成三维模型，所述三维模型由超材料结构单元周期阵列组成，
切片所述三维模型，以在第一金属层上微纳3D打印形成三维结构，
基于定向性沉积工艺在所述三维结构的顶表面沉积预定厚度的第二金属层。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，其特征在于，优选的，超材料结构单元包括以下谐振形状及其组合：圆形、圆环、方形、开口环以及十字型。
3.根据权利要求1所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，其特征在于，第一金属层包括以下材料及其组合：金、银、铜、铝、锌、镍、钨、铁、铬、钛、铂及其合金或聚合物与化合物。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，其特征在于，微纳3D打印形成树脂三维结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，其特征在于，第二金属层包括以下材料及其组合：金、银、铜、铝、锌、镍、钨、铁、铬、钛、铂及其合金或聚合物与化合物。
6.根据权利要求1所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，其特征在于，定向性沉积工艺包括真空蒸发镀膜或真空溅射镀膜。
7.根据权利要求1所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，其特征在于，所述超材料结构单元为周期阵列结构。
8.根据权利要求7所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，其特征在于，所述超材料结构单元为十字型结构，其长为112μm，宽为25μm，高为25μm，周期为280μm，第二金属层的厚度为200nm的金层。
9.根据权利要求7所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，其特征在于，所述超材料结构单元为宽带吸波器单元，所述宽带吸波器单元包括四种十字型结构，其长分别为130μm、140μm、150μm和160μm、，宽均为25μm，高均为25μm，周期为390μm。
10.根据权利要求1所述的一种基于微纳3D打印的太赫兹超材料吸波器制造方法，其特征在于，所述第二金属层与所述第一金属层材料相同或不相同。
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