CN103663360A - 太赫兹器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹器件，其特征在于，包括：太赫兹元件，具有入射面和出射面；以及微孔薄膜，微孔薄膜至少覆盖在入射面上，微孔薄膜具有多个微孔单元，微孔单元具有向着太赫兹元件方向自大到小渐变的形状。使用本发明所提供的太赫兹器件能够有效的减少太赫兹波从空气到太赫兹元件由于折射率陡变而产生的菲涅耳反射，从而降低太赫兹能量损耗，达到增透的目的。另外，本发明还提供了制备该太赫兹器件的方法。根据本发明提供的制备方法，由于采用在太赫兹元件表面进行涂膜和热压印法制备，工艺简单，成本较低，适用范围广，不仅能用于硅片涂膜，也能够在其他非硅太赫兹元件表面涂膜。

Description

太赫兹器件及其制备方法

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种增强太赫兹辐射透射率的太赫兹器件及其制备方法。

背景技术

太赫兹波通常定义为频率在0.1～10THz范围内的电磁波。太赫兹的英文是Terahertz（THz），1THz=10¹²Hz，波长为30～3000μm。目前研究较多的太赫兹波通常在0.1～10THz范围内，其波段位于微波和红外线之间，属于远红外线和亚毫米波范畴，有时也称为T射线。

高阻硅对于太赫兹波完全透明，吸收率几乎等于零，就像玻璃对于可见光，非常适合用来做太赫兹镜片、窗口等器件。但是硅的折射率很高，远远大于空气的折射率。我们知道，当光从一种折射率为n₁的介质向另一种折射率为n₂的介质传播时，在两者的交界处即界面上可能会同时发生光的反射和折射（符合菲涅尔公式），反射回来的能量会耗散在空气中造成损失。

太赫兹波是电磁波，由于菲涅尔损耗的存在，当太赫兹波从空气垂直射到硅表面时，会有接近30%的功率由于反射损失掉，只剩下70%的太赫兹能量会透过器件的第一表面。同时考虑硅器件的两个表面，如果忽略硅两个表面间少量波来回振荡产生的干涉效应，太赫兹波在透过两个表面后能量损失会达到46%，对探测和实验带来不便。

目前透射率较高的太赫兹器件多是在高阻硅本体表面修饰所得到的器件，其制备方法主要是飞秒激光加工黑硅结构和化学腐蚀金字塔结构等，这些太赫兹器件因制备工艺复杂，从而成本较高，且在制备过程中使用激光、化学等方法有一定危险性。更重要的是，由于这类增透方法仅局限于对硅表面的改性，不能适用于其它与太赫兹辐射相关的材料界面，如砷化镓和鍗化锌等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹器件，以解决上述问题。

本发明的目的还在于提供一种上述太赫兹器件的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种太赫兹器件，其特征在于，包括：太赫兹元件，具有入射面和出射面；以及微孔薄膜，微孔薄膜至少覆盖在入射面上，微孔薄膜具有多个微孔单元，微孔单元具有向着太赫兹元件方向自大到小渐变的形状。

另外，本发明所涉及的微孔薄膜还可以具有这样的特征：其中，微孔薄膜由太赫兹域高透明材料制成，厚度为1微米～1毫米，太赫兹域高透明材料为高分子材料或高分子基复合材料。

进一步，本发明所涉及的微孔薄膜还可以具有这样的特征：其中，上述高分子材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚4-甲基戊烯、聚乙烯、聚丙烯、环烯烃共聚物或聚苯乙烯中的任意一种；上述高分子基复合材料为复合有硅、二氧化硅或三氧化二铝纳米颗粒中的任意一种或至少两种的高分子材料。

另外，本发明所涉及的微孔单元还可以具有这样的特征：其中，微孔单元的形状为倒圆锥形、倒棱锥形、倒圆台形或倒梯台形中的任意一种。

并且，本发明还涉及一种制备上述太赫兹器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将太赫兹域高透明材料溶于一定溶剂中，配成溶液；步骤二：将溶液旋凃在入射面上，烘干，得到入射面上覆盖有太赫兹域高透明材料的薄膜的第一待压器件；步骤三：将第一待压器件和模具共同加热到高于太赫兹域高透明材料的玻璃化转变温度的温度，用模具穿透薄膜压在入射面上，冷却，脱模，得到太赫兹器件。

另外，本发明所涉及的微孔薄膜还可以具有这样的特征：其中，微孔薄膜还覆盖在出射面上。

并且，本发明还提供了一种制备上述太赫兹器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将太赫兹域高透明材料溶于一定溶剂中，配成溶液；步骤二：将溶液旋凃在入射面上，烘干，再将溶液旋凃在出射面上，烘干，得到入射面和出射面均覆盖有太赫兹域高透明材料的薄膜的第二待压器件；步骤三：将第二待压器件和模具共同加热至高于太赫兹域高透明材料的玻璃化转变温度的温度，用模具分别穿透薄膜压在入射面和出射面上，冷却，脱模，得到太赫兹器件。

另外，上述制备方法所采用的模具还可以具有这样的特征：其中，模具具有多个凸起单元，凸起单元具有与微孔单元相匹配的正圆锥形、正棱锥形、正圆台形和正梯台形中的任意一种形状。

另外，上述制备方法所采用的模具还可以具有这样的特征：其中，模具为金属模具。

另外，上述制备方法所采用的溶剂还可以具有这样的特征：其中，溶剂为甲苯、二甲苯、三甲苯、氯苯、苯甲醚、丙酮、四氢呋喃和氯仿中的任意一种或几种的混合物。

发明的作用与效果

根据本发明所提供的一种太赫兹器件，由于在太赫兹元件的入射面上覆盖了一层的微孔薄膜，微孔薄膜具有多个微孔单元，微孔单元向着太赫兹元件方向具有自大到小渐变的微结构，因此越靠近太赫兹器件表面，空气所占面积越少，材料所占面积越多，从而有效的减少了太赫兹波从空气到太赫兹元件由于折射率陡变而产生的菲涅耳反射，降低了太赫兹能量损耗，达到了增透的目的。

另外，由于采用涂膜和热压印法即可在太赫兹元件表面覆盖一层微孔薄膜，该制备方法工艺简单，成本较低，适用范围广，不仅能制备覆盖有该微孔薄膜的硅片，也能够制备覆盖有该微孔薄膜其他非硅太赫兹器件。

附图说明

图1为硅片在对比实施例中的太赫兹辐射示意图；

图2为本发明所涉及的太赫兹器件在实施例一中的结构示意图；

图3为本发明所涉及的微孔单元在实施例一中的结构示意图；

图4为本发明所涉及的制备方法在实施例一中旋凃成膜的结构示意图；

图5为本发明所涉及的太赫兹器件在实施例一中的剖面图；以及

图6为本发明所涉及的太赫兹器件在实施例二中的太赫兹辐射示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所涉及的太赫兹器件及其制备方法做具体说明。

<对比实施例>

本对比实施例采用低掺高阻硅片模拟太赫兹元件，将硅片切洗吹干备用。

图1为硅片在对比实施例中的太赫兹辐射示意图。

如图1所示，太赫兹波从空气传播，透射过硅片100的入射面101和出射面102，假设空气折射率为1，即n_空气＝1，硅的折射率为3.42。

入射光线、反射光线和折射光线各自与法线形成的夹角分别为θ_i、θ_r和θ_t，入射光的功率被界面反射的比例称为反射比R，折射的比例称为透射比T，透射比T为：T=1-R。反射比和透射比的具体形式还与入射光的偏振有关。

当入射光的电矢量平行于硅片100的入射面101，即为s偏振时，反射比为：

当入射光的电矢量垂直于硅片100的入射面101，即为p偏振时，反射比为：

当入射光无偏振时，即含有等量的s偏振和p偏振，则反射比是两者的平均值，即：

$R=\frac{R_s+R_p}{2}$

当太赫兹波以近法线入射，即：θ_i≈θ_t≈0时，则入射面101对太赫兹波的反射比R和透射比T分别为：

$R=R_s=R_p={\left(\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\right)}^2---\left(1\right)$

$T=T_s=T_p=1-R=\frac{4n_1{n}_2}{{(n_1+n_2)}^2}---\left(2\right)$

其中，n₁为太赫兹波穿过的第一种介质即空气的折射率，n₂为太赫兹波穿过的第二种介质即硅的折射率。

硅片100对太赫兹波的反射包括入射面101的反射及出射面102的反射，而且少量光波会在两层之间来回振荡形成干涉，如忽略这种干涉效应，则两层合并后的双面反射比R_双及双面透射比T_双分别为：

T_双=1-R_双           （4）

根据公式（1）、（2）、（3）和（4），太赫兹波透过硅片100后，入射面101的反射比R为30%，入射面101和出射面102的总反射比R_总为46.13%，入射面101和出射面102的总透射比T_总为53.87%。

<实施例一>

本实施例一提供了一种入射面具有聚苯乙烯微孔薄膜的太赫兹器件。

图2为本发明所涉及的太赫兹器件在实施例一中的结构示意图。

如图2所示，本实施例一所涉及的太赫兹器件200包括太赫兹元件201和微孔薄膜202，太赫兹元件201为低掺高阻硅片，具有入射面203和出射面204，微孔薄膜202为聚苯乙烯，覆盖在入射面203上。微孔薄膜202具有多个微孔单元205。

图3为本发明所涉及的微孔单元在实施例一中的结构示意图。

如图3所示，微孔单元205向着太赫兹元件201的方向具有倒圆锥形的形状206。

太赫兹器件200的制备：

图4为本发明所涉及的制备方法在实施例一中旋凃成膜的结构示意图。

图5为本发明所涉及的太赫兹器件在实施例一中的剖面图。

步骤一：取聚苯乙烯溶于甲苯中，配制成粘度为1500cp的聚苯乙烯甲苯溶液。

步骤二：将太赫兹元件201置于匀胶机上，调整适当转速将步骤一中配制的聚苯乙烯溶液均匀旋涂在太赫兹元件201的入射面203上，旋凃完成后，将其置于培养皿中并放置在烘干机上烘干，逐渐冷至室温，得到如图4所示的入射面203上覆盖有聚苯乙烯薄膜207的太赫兹元件201，薄膜207的膜厚约50微米。

步骤三：根据聚苯乙烯的玻璃转变温度，将覆盖有聚苯乙烯薄膜207的太赫兹元件201和具有多针尖结构的金属模具一起加热至100℃，以适当配重的力将热的金属模具垂直压在玻璃态的聚苯乙烯薄膜207上，使金属模具穿透聚苯乙烯薄膜207与入射面203相接触，冷至室温，取下模具，如图5所示，聚苯乙烯薄膜207上形成一系列均匀的倒置的准圆锥状的微孔单元205，得到的太赫兹器件200。

对于本实施例制备的太赫兹器件200，从倒置圆锥顶端所在的层面开始，越靠近太赫兹元件201的入射面203，空气所占面积比S_空气%越少，聚苯乙烯所占面积比S_PS%越多，设等效折射率是N，则：

其中，S_空气%+S_PS%=1，由公式（5）可知倒置的准圆锥状的微孔单元205对太赫兹波具有等效渐变折射率。

聚苯乙烯折射率为1.59-1.60，这里假设为1.59，即n_ps=1.59。当太赫兹波从空气中透射过本实施例所涉及的太赫兹器件200，根据公式（1）及（2），分别得到空气和聚苯乙烯接触界面的反射比以及聚苯乙烯与硅片接触界面的反射比，根据二者的反射比，即可得到入射面203的反射比R₁为13%。

与对比实施例中相比，本实施例一所涉及的太赫兹器件200的入射面203的透射比比硅片100的入射面101的透射比提高了17%。

<实施例二>

本实施例二提供了一种入射面和出射面均具有聚苯乙烯微孔薄膜的太赫兹器件：

图6为本发明所涉及的太赫兹器件在实施例二中的太赫兹辐射示意图。

如图6所示，本实施例所提供的太赫兹器件300包括太赫兹元件301即低掺高阻硅片和两层聚苯乙烯的微孔薄膜302。

该太赫兹器件300的制备方法：

步骤一：取聚苯乙烯溶于甲苯中，配制成粘度为1500cp的聚苯乙烯甲苯溶液。

步骤二：将硅片301置于匀胶机上，调整适当转速将步骤一中配制的聚苯乙烯溶液均匀旋涂在硅片301的入射面上，旋凃完成后，将其置于培养皿中并放置在烘干机上烘干，逐渐冷至室温，再将步骤一中配制的聚苯乙烯溶液均匀旋涂在硅片301的出射面上，旋凃完成后，将其置于培养皿中并放置在烘干机上烘干，逐渐冷至室温，得到入射面和出射面均覆盖有聚苯乙烯薄膜的硅片301，薄膜的膜厚约50微米。

步骤三：根据聚苯乙烯的玻璃化转变温度，将覆盖有聚苯乙烯薄膜的硅片301和两个具有多针尖结构的金属模具一起加热至100℃，以适当配重的力将两个热的金属模具垂直压在玻璃态的聚苯乙烯薄膜上，使金属模具穿透聚苯乙烯薄膜，冷至室温，取下模具，得到如图6所示的太赫兹器件300。

根据公式（1）及（2），分别得到空气和聚苯乙烯接触界面的反射比以及聚苯乙烯与硅片接触界面的反射比，根据二者的反射比，即可得到入射面的反射比及出射面的反射比。

根据公式（3）及公式（4），该太赫兹器件300的双面总反射比R_双1为23.54%，双面透射比T_双1为76.46%。

与对比实施例中的硅片相比，本实施例二所涉及的太赫兹器件300比硅片的双面透射比提高了22.59%。

<实施例三>

本实施例三提供了一种入射面和出射面上均具有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微孔薄膜的太赫兹器件。

选用低掺高阻硅片模拟太赫兹元件，PMMA玻璃化转变温度为105℃，折射率为1.482～1.521这里取1.50。

制备方法：

将PMMA溶于苯甲醚，参照实施例二的制备方法得到入射面和出射面上均具有PMMA微孔薄膜的太赫兹器件。

该太赫兹器件的入射面反射比R₂为15%，双面总反射比R_双2为26.09%，双面透射比T_双2为73.91%。

与对比实施例中的硅片相比，本实施例三所涉及的太赫兹器件的入射面透射比提高了15%，双面透射比提高了20.04%。

<实施例四>

本实施例四提供了一种入射面和出射面均覆盖有纳米硅粉复合聚苯乙烯材料微孔薄膜的太赫兹器件。

选用低掺高阻硅片模拟太赫兹元件，取聚苯乙烯溶于二甲苯中，然后加入纳米硅粉制成均匀混合物，参照实施例二的制备方法制备得到微孔薄膜为纳米硅粉复合材料的太赫兹器件。

该复合材料的折射率根据纳米硅粉的加入量不同可进行调节，折射率在1.6-3.4之间，本实施例四采用折射率n_复=1.8的复合材料。

本实施例四所涉及的太赫兹器件的入射面反射比R₃为9.5%，双面总反射比R_双3为17.30%，双面透射比T_双3为82.70%。

与对比实施例中的硅片相比，本实施例四所涉及的太赫兹器件的入射面透射比提高了20.5%，双面透射比提高了28.83%。

实施例的作用与效果

根据实施例一至四所提供的太赫兹器件，由于在低掺高阻硅片的入射面上覆盖了一层微孔薄膜，微孔薄膜由多个倒圆锥形的微孔单元构成，越靠近硅片表面，空气所占面积越少，聚苯乙烯所占面积越多，从而有效的减少了从空气到硅片由于折射率陡变产生的菲涅耳反射，降低了太赫兹能量的损耗，与对比实施例相比，覆盖有微孔薄膜的硅片的入射面反射比显著降低，达到增透的目的。

另外，上述实施例一至四所提供的太赫兹器件中，入射面和出射面均覆盖有微孔薄膜的太赫兹器件的双面透射比与仅在入射面上覆盖有微孔薄膜的太赫兹器件相比，透射比具有显著提高。

另外，根据上述实施例一至四所提供的太赫兹器件的制备方法，由于采用涂膜和热压印法制备得到，工艺简单，成本较低，避免了使用激光或其它较为危险的制备方法。

另外，上述实施例一至四采用的涂膜材料原料成本低，增透性能好。

当然本发明所涉及的太赫兹器件及其制备方法并不仅仅限定于上述实施例中的内容。以上内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

上述实施例中所涉及的微孔薄膜采用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或纳米硅粉复合聚苯乙烯材料制成，本发明所涉及的太赫兹器件的微孔薄膜还可以选自其他太赫兹域高透明的高分子材料或高分子基复合材料制成，如聚4-甲基戊烯、聚乙烯、聚丙烯、环烯烃共聚物或复合有二氧化硅、三氧化二铝纳米颗粒的高分子复合材料。

上述实施例中所涉及的微孔单元为到圆锥形的形状，本发明所涉及的太赫兹器件的微孔单元还可以为倒棱锥型、倒圆台型和倒梯台型等中的任意一种形状；相应的，上述实施例中所采用的模具的凸起单元还可以为正棱锥型、正圆台型和正梯台型中的任意一种形状。

上述实施例中所涉及的太赫兹元件为低掺高阻硅片，本发明所涉及的太赫兹元件还可以为由砷化镓和鍗化锌等材料制成的非硅太赫兹元件。

本发明所涉及的太赫兹器件的制备方法不仅能够用于在硅片表面涂膜，也能够在其他非硅太赫兹元件表面涂膜。

本发明所涉及的模具还可以选自其它耐高温且具有一定硬度的材料。

本发明所涉及的太赫兹器件的制备方法，其中，溶剂可以选自甲苯、二甲苯、三甲苯、氯苯、丙酮、四氢呋喃、氯仿中的任意一种或至少两种的混合物。

Claims (10)

1.一种太赫兹器件，其特征在于，包括：

太赫兹元件，具有入射面和出射面；以及

微孔薄膜，至少覆盖在所述入射面上，

所述微孔薄膜具有多个微孔单元，所述微孔单元具有向着所述太赫兹元件方向自大到小渐变的形状。

2.根据权利要求1所述的太赫兹器件，其特征在于：

其中，所述微孔薄膜由太赫兹域高透明材料制成，厚度为1微米～1毫米，所述太赫兹域高透明材料为高分子材料或高分子基复合材料。

3.根据权利要求2所述的太赫兹器件，其特征在于：

其中，所述高分子材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚4-甲基戊烯、聚乙烯、聚丙烯、环烯烃共聚物或聚苯乙烯中的任意一种；

所述高分子基复合材料为复合有硅、二氧化硅或三氧化二铝纳米颗粒中的任意一种或至少两种的高分子材料。

4.根据权利要求1所述的太赫兹器件，其特征在于：

其中，所述微孔单元的形状为倒圆锥形、倒棱锥形、倒圆台形或倒梯台形中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的太赫兹器件，其特征在于：

其中，所述微孔薄膜还覆盖在所述出射面上。

6.一种制备如权利要求1～4中任意一项所述的太赫兹器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将所述太赫兹域高透明材料溶于一定溶剂中，配成溶液；

步骤二：将所述溶液旋凃在所述入射面上，烘干，得到所述入射面上覆盖有所述太赫兹域高透明材料的薄膜的第一待压器件；

步骤三：将所述第一待压器件和模具共同加热到高于所述太赫兹域高透明材料的玻璃化转变温度的温度，用所述模具穿透所述薄膜压在所述入射面上，冷却，脱模，得到所述太赫兹器件。

7.一种制备如权利要求5所述的太赫兹器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将所述太赫兹域高透明材料溶于一定溶剂中，配成溶液；

步骤二：将所述溶液旋凃在所述入射面上，烘干，再将所述溶液旋凃在所述出射面上，烘干，得到所述入射面和所述出射面均覆盖有所述太赫兹域高透明材料的薄膜的第二待压器件；

步骤三：将所述第二待压器件和模具共同加热至高于所述太赫兹域高透明材料的玻璃化转变温度的温度，用所述模具分别穿透所述薄膜压在所述入射面和所述出射面上，冷却，脱模，得到所述太赫兹器件。

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：

其中，所述模具具有多个凸起单元，所述凸起单元具有与所述微孔单元相匹配的正圆锥形、正棱锥形、正圆台形和正梯台形中的任意一种形状。

9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：

其中，所述模具为金属模具。

10.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：

其中，所述溶剂为甲苯、二甲苯、三甲苯、氯苯、苯甲醚、丙酮、四氢呋喃和氯仿中的任意一种或至少两种的混合物。

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