由於(yu) 能夠對太赫茲(zi) 電磁波產(chan) 生有效的調製，近年來，太赫茲(zi) 電磁超材料受到了科研界極大的關(guan) 注。太赫茲(zi) 超材料的單個(ge) 單元的特征尺寸一般為(wei) 幾十微米，傳(chuan) 統的加工主要基於(yu) MEMS微納加工工藝流程。然而，這些工藝流程通常都需要昂貴的實驗設備並且是多工序且高耗費的。為(wei) 了克服這些缺點與(yu) 不足，西交大張留洋老師課題組提出了一種基於(yu) 微納3D打印結合磁控濺射沉積鍍膜的太赫茲(zi) 超材料製造工藝：以基於(yu) 垂直U型環諧振器的三維太赫茲(zi) 超材料為(wei) 原型，采用高精度微納3D打印設備nanoArch S130（BMF摩方精密）對模型進行加工，隨後通過磁控濺射沉積鍍金屬膜賦予該結構功能性。

該成果以“3D-printed terahertz metamaterial absorber based on vertical split-ring resonator”為(wei) 題發表於(yu) Journal of Applied Physics期刊。

圖1 基於(yu) 垂直U型環的太赫茲(zi) 超材料製備工藝示意圖。采用麵投影微立體(ti) 3D打印工藝（nanoArch S130，摩方精密）在矽片表麵製造樹脂超材料模型，然後通過磁控濺射在樹脂模型表麵沉積覆蓋金屬銅膜。插圖為(wei) 基於(yu) 垂直U型環的太赫茲(zi) 超材料的模型剖視圖。

圖1所示為(wei) 所提出的基於(yu) 垂直U型環的太赫茲(zi) 超材料製造工藝流程示意圖。首先，通過三維建模軟件建立了超材料的數字模型，將該數字模型轉化為(wei) STL格式就可以輸入3D打印設備進行打印製造。打印所采用的樹脂材料為(wei) 一種耐高溫的光敏樹脂(High-temperature resistance photosensitive resin, HTL)。為(wei) 了加強所打印的垂直U型環結構和矽片界麵處的粘附性，在U型環和矽片表麵之間額外打印了一層樹脂基底。在樹脂模型製造完成之後，采用磁控濺射鍍膜工藝在樹脂模型的表麵沉積銅膜。所使用的3D打印設備（nanoArch S130，摩方精密）的光學精度為(wei) 2 μm，最小打印層厚為(wei) 5 μm。所采用的加工工藝主要依賴於(yu) 3D打印技術，這使得整個(ge) 製造過程相當的簡單和高效。

圖2 所製造的垂直U型環太赫茲(zi) 超材料掃描電鏡照片與(yu) 太赫茲(zi) 時域光譜係統測量所得吸收譜。(a)垂直U型環局部陣列。(b)單個(ge) 垂直U型環照片。(c)與(yu) (d)分別為(wei) 測量和仿真所得的分別在x極化和y極化入射下超材料的吸收譜。

製造的超材料陣列的總體(ti) 尺寸為(wei) 9.6 ×9.6mm，一共包含了30×30個(ge) 單元結構。從(cong) 電鏡圖中可以看出，所選用的3D打印技術（nanoArch S130，摩方精密）可以很好地完成設計的微結構的成型。THz-TDS測量結果表明，在x極化下，超材料在0.8 THz處達到了96%的近一吸收，而在y極化下沒有出現吸收峰，這與(yu) 仿真所得的結果基本一致。

圖3 高Q值三維太赫茲(zi) 超材料傳(chuan) 感研究。(a)傳(chuan) 感分析物的示意。(b)諧振峰頻率隨傳(chuan) 感分析物的厚度而變化。(c)加載不同折射率分析物時的超材料吸收譜 (d)超材料傳(chuan) 感折射率靈敏度。(e)加載乳糖與(yu) 半乳糖粉末時的測量結果。(f)吸收峰頻率的偏移。

通過仿真和實驗研究了樣品的傳(chuan) 感特性。分析得出，隨著傳(chuan) 感物厚度的增大，頻移逐漸加大，當厚度大於(yu) 100μm時得到了最佳的效果。計算得到傳(chuan) 感器的靈敏度為(wei) S = 0.5 THz/RIU，品質因數為(wei) FOM = 95.9。所製造的垂直U型環超材料的高度為(wei) 75μm，適用於(yu) 檢測具有一定厚度的分析物。因此，該研究選擇了典型的乳糖和半乳糖粉末作為(wei) 分析物來驗證垂直U型環傳(chuan) 感器的傳(chuan) 感能力。如圖3 (e)所示，在樣品表麵加載乳糖和半乳糖粉末後，吸收峰的中心頻率分別變為(wei) 0.5335 THz和0.7603 THz，頻移分別為(wei) 0.2665 THz與(yu) 0.0397 THz，獲得了有效且明顯地頻移，驗證了樣品在折射率傳(chuan) 感等領域的應用潛力。