CN105281043A

CN105281043A - 一种超宽频太赫兹波减反构件及超宽频太赫兹波吸收器

Info

Publication number: CN105281043A
Application number: CN201510794305.9A
Authority: CN
Inventors: 蔡斌; 张君; 徐公杰; 朱亦鸣; 田甜; 展鹏; 叶天明
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: CN105281043B

Abstract

本发明提供了一种超宽频太赫兹波减反机构及超宽频太赫兹波吸收器，依据折射率渐变增透原理，将多层折射率顺序变化的复合材料层依次重叠组成减反机构，然后将其旋涂于低阻硅上。这一器件可以工作在太赫兹全频段(0.1～30THz)，大大的拓宽了之前的利用电磁超材料结构的周期排列的太赫兹吸收器的工作频宽；同时，由于减反机构可以在折射率为1.2～3.5的范围内任意调节，能够极大降低太赫兹波辐射的反射，并且此吸收器结构简单，制作方便，吸收率高，制作成本低。

Description

一种超宽频太赫兹波减反构件及超宽频太赫兹波吸收器

技术领域

本发明属于太赫兹波吸收器领域，具体涉及一种超宽频太赫兹波减反构件及超宽频太赫兹波吸收器。

背景技术

近年来，随着太赫兹技术的高速发展，对太赫兹功能器件的工作频率提出了越来越高的要求，超宽频太赫兹器件在诸多的应用领域起到重要作用。

2008年，波士顿大学的N.I.Landy教授首先提出了基于电磁超材料的完美吸收器。这是一种基于超材料的电磁谐振吸收器，通过合理设计器件的物理尺寸及材料参数，能够与入射电磁波的电磁分量产生耦合，从而对入射到吸收器的特定频带内的电磁波实现高效吸收。该吸收器共有3层结构，顶层是一个金属亚波长谐振环结构，中间夹一层介质层，底部为一金属条，底部的金属条将阻隔电磁波的传播，从而降低器件的透过率，顶部的金属亚波长谐振环结构能在某一特定频率实现透过系数，反射系数的振幅和相位，从而与底部金属层的反射波产生相消干涉，实现反射率的降低。但是这种吸收材料在制备过程中需要多步光刻以及对准，研制相对复杂，对于特定频率的电磁波，其最大吸收率达到了70％。

随后，Tao等提出了一种改进型的基于超材料的电磁波吸收器，与第一种吸收器的区别是其底层的金属条变成了连续金属薄膜。这种器件因为引入了连续金属薄膜作为底层，电磁波不能够穿过整个材料，使得这种吸收器对0°～50°角入射的电磁波均具有90％以上的强吸收。在此之后，以连续金属薄膜为底层的三层式结构成为超材料吸收器最常用的结构。

一般的太赫兹宽频吸收器都是通过电磁超材料结构的周期排列而实现，通过合理的设计太赫兹功能器件的物理尺寸以及材料的参数，能够与入射的电磁波的电磁分量产生耦合，进而对于入射到吸收器的特定频带内的电磁波实现100％的吸收。一般来说，电磁超材料在太赫兹频段的特征尺寸较小，因而无法使用精密机械加工，或是薄膜蒸镀加工，所以这使得在太赫兹频段下的多层超材料结构的堆叠几乎难以实现。虽然，电磁超材料的太赫兹吸器器件已经取得了较大的进展，但吸收率低、频带窄、造价高等一系列问题，很大的限制了其在实际应用范围。

发明内容

本发明是为解决上述问题而进行的，采用了如下技术方案：

本发明提供了一种超宽频太赫兹波减反构件，具有这样的特征：该超宽频太赫兹波减反构件的折射率的范围为1.2～3.5，由多层折射率顺序变化的复合材料层组成。复合材料层自靠近衬底的一层开始，折射率逐渐减小。

本发明提供的超宽频太赫兹波减反构件，还可以具有这样的特征：包含一层折射率为1.2～1.5的低折射率复合材料层，以及至少一层折射率为1.5～3.5的高折射率复合材料层，优选5层，每层高折射率复合材料层的厚度优选为100～250μm。

本发明提供的超宽频太赫兹波减反构件，还可以具有这样的特征：低折射率复合材料层由中空的纳米或微米小球与高分子聚合物复合而成；高折射率复合材料层由氧化钛粉、氧化锆粉、硅粉中的任意一种与高分子聚合物复合而成，所述五层高折射率复合材料层中的氧化钛粉、氧化锆粉或硅粉的质量分数不同。其中，中空的纳米或微米小球为中空聚苯乙烯球或中空石英球；高分子聚合物为聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚环烯烃(COP)、聚氨酯(PU)、聚酰亚胺(PI)、环氧树脂中的任意一种。

进一步的，本发明还提供了一种超宽频太赫兹波吸收器，由低阻硅片，以及固定于该低阻硅片上超宽频太赫兹波减反构件构成。其中，超宽频太赫兹波减反构件为上所述的超宽频太赫兹波减反构件。低阻硅片的厚度不小于300μm，超宽频太赫兹波减反构件的厚度为1mm。

发明作用与效果

本发明提供了一种新的超宽频太赫兹波吸收器的设计理论和方案，是依据折射率渐变增透原理，将多层折射率顺序变化的复合材料层依次重叠组成减反构件，然后将其旋涂于低阻硅上。这一器件可以工作在太赫兹全频段(0.1～30THz)，大大的拓宽了之前的利用电磁超材料结构的周期排列的太赫兹吸收器的工作频宽；同时，由于减反构件可以在折射率为1.2～3.5的范围内任意调节，能够极大降低太赫兹波辐射的反射，并且此吸收器结构简单，制作方便，吸收率高，制作成本低。

附图说明

图1是本发明的超宽频太赫兹波吸收器的结构示意图；

图2是本发明的纳米氧化钛复合材料层的折射率与利用有效介质理论匹配下的结果图；

图3是本发明的实际制备的超宽频太赫兹波吸收器的减反构件的剖面结构的SEM图；

图4是本发明的实际制备的超宽频太赫兹波吸收器的仿真结果图；

图5是本发明的超宽频太赫兹波吸收器在0.1-1.5THz频段下的吸收率的结果图；

图6是本发明的超宽频太赫兹波吸收器在1-10THz频段下的吸收率的结果图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

图1为本实施例的超宽频太赫兹波吸收器的结构示意图。

如图1所示，超宽频太赫兹波吸收器的衬底为低阻硅片，中间为五层折射率不同的高折射率复合材料层，最上层为低折射率复合材料层，每层的厚度为100～250μm。本实施例中，中间的高折射率复合材料层为纳米氧化钛复合材料层，低折射率复合材料层为中空PS微球复合材料层。

以下对纳米氧化钛复合材料层和中空PS微球复合材料层的制备方法，以及太赫兹超宽频段吸收器的吸收率的计算方法进详细说明：

一、纳米氧化钛复合材料层的制备方法

首先，取一定量的20nm的金红石型纳米氧化钛于乙醇中，并加入少量的表面修饰剂(byk-111)球磨6-8h；然后加入不同量的环氧树脂(TTA-21P江苏泰特尔新材料科技有限公司)和固化剂(间苯二甲胺)，TTA-21P与间苯二甲胺的比例为2:1，搅拌2h后，100℃下固化。调节纳米氧化钛在整个体系中的含量比，可以制得不同折射率的复合材料。

利用太赫兹时域光谱***(THz-TDS)对制备的纳米氧化钛复合材料进行折射率的分析与表征，结果如图2所示，当纳米TiO₂的质量百分比分别为27％、33％、44％、57％、67％时，其实际折射率分别对应为1.96、2.09、2.41、2.84、3.19，和有效介质理论相匹配。通过调节TiO₂的含量，可以使得纳米氧化钛复合材料的折射率在1.5～3.5范围内任意调节。

二、中空PS微球复合材料层的制备方法

取中空PS微球0.03g置于少量乙醇中润湿，之后加入0.4g环氧树脂(TTA-21P江苏泰特尔新材料科技有限公司)和0.4g固化剂(间苯二甲胺)，搅拌2h后，60℃下固化。利用THz-TDS对所制备的复合材料进行折射率的分析与表征，得到其折射率为1.3。

三、超宽频太赫兹波吸收器对太赫兹波吸收率的计算方法

根据实验材料，本实施例以高阻硅片的折射率为起点，制备六层复合材料，根据折射率渐变多层增透膜公式，计算不同复合材料层的折射率。

\frac{n_{0}}{n_{1}} = \frac{n_{1}}{n_{2}} = \frac{n_{2}}{n_{3}} = \frac{n_{3}}{n_{4}} = \frac{n_{4}}{n_{5}} = \frac{n_{5}}{n_{6}} = \frac{n_{6}}{n_{S i}}

其中，n₀为空气的折射率，n_1-6为各复合材料的理想折射率，为n_Si硅的折射率。

在利用CST(ComputerSimulationTechnology)对以上结构进行仿真计算得出器件的反射率和透过率后，用1减去透过率和反射率即可得出太赫兹超频段吸收器的吸收率。

图3是本实施例实际制备的超宽频太赫兹波吸收器的减反构件的剖面结构的SEM图。

在利用匀胶机将复合材料层旋涂于低阻硅片上时，由于实验误差，所得的厚度与仿真结果不完全一致。如图3所示，实际制备的超宽频太赫兹波吸收器的减反构件的厚度为900μm，而其理论值为1000μm。

图4是本实施例的实际制备的超宽频太赫兹波吸收器的仿真结果图。

如图4所示，利用CST仿真对实际所得的超宽频太赫兹吸收器的参数进行仿真，结果显示，实际制备的超宽频太赫兹吸收器对0～10THz的太赫兹波的吸收率接近100％。

图5为利用太赫兹时域光谱***对实际制备的超宽频太赫兹波吸收器进行分析与表征的结果图。

如图5所示，实际制备的超宽频太赫兹波吸收器在0.1-1.5THz频段下的吸收率不低于95％。

图6为利用FT-IR***对实际制备的超宽频太赫兹波吸收器进行分析与表征的结果图。

如图6所示，实际制备的超宽频太赫兹波吸收器在1-10THz频段下的吸收率均高于95％。

本实施例中，作为吸收器衬底的低阻硅片的厚度应不小于300μm，优选500μm。减反构件的厚度为1000μm。

实施例的作用与效果

本实施例提供了一种超宽频太赫兹波减反构件以及基于该减反构件的超宽频太赫兹波吸收器，减反构件由五层折射率不同的纳米氧化钛复合材料层以及一层中空PS微球复合材料层组成，并旋涂于低阻硅上。

由于减反构件是依据折射率渐变增透原理，将多层折射率顺序变化的复合材料层依次重叠而成，使得减反构件可以在折射率为1.2～3.5的范围内任意调节，能够极大降低太赫兹波辐射的反射；同时使得超宽频太赫兹波吸收器可以工作在太赫兹全频段(0.1～30THz)，大大拓宽了之前的利用电磁超材料结构的周期排列的太赫兹吸收器的工作频宽；并且此吸收器结构简单，制作方便，吸收率高，制作成本低。

上述实施例中，减反构件的高折射率复合材料层为纳米氧化钛复合材料层，低折射率复合材料层为中空PS微球复合材料层。但作为本发明的超宽频太赫兹波减反构件以及基于该减反构件的超宽频太赫兹波吸收器，减反构件不限于上述复合材料。如，高折射率复合材料层还可以为纳米氧化锆复合材料层或纳米硅粉复合材料层；低折射率复合材料层还可以为中空石英球复合材料层。

同时，作为复合材料层制备原料的高分子聚合物也不仅限于环氧树脂一种，还可以为聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚环烯烃(COP)、聚氨酯(PU)、聚酰亚胺(PI)中的任意一种。

Claims

1.一种超宽频太赫兹波减反构件，设置在超宽频太赫兹波吸收器的衬底上，用于在超宽频范围内降低太赫兹波辐射的反射，其特征在于：

所述超宽频太赫兹波减反构件的折射率的范围为1.2～3.5，由多层折射率顺序变化的复合材料层组成。

2.根据权利要求1所述的超宽频太赫兹波减反构件，其特征在于：

其中，所述复合材料层自靠近所述衬底的一层开始，折射率逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的超宽频太赫兹波减反构件，其特征在于：

其中，所述超宽频太赫兹波减反构件中包含一层折射率为1.2～1.5的低折射率复合材料层，以及至少一层折射率为1.5～3.5的高折射率复合材料层。

4.根据权利要求3所述的超宽频太赫兹波减反构件，其特征在于：

其中，所述高折射率复合材料层的个数为五层。

5.根据权利要求4所述的超宽频太赫兹波减反构件，其特征在于：

其中，所述低折射率复合材料层由中空的纳米或微米小球与高分子聚合物复合而成，

所述高折射率复合材料层由氧化钛粉、氧化锆粉、硅粉中的任意一种与高分子聚合物复合而成，

所述五层高折射率复合材料层中的氧化钛粉、氧化锆粉或硅粉的质量分数不同。

6.根据权利要求4所述的超宽频太赫兹波减反构件，其特征在于：

其中，所述中空的纳米或微米小球为中空聚苯乙烯球或中空石英球。

7.根据权利要求4所述的超宽频太赫兹波减反构件，其特征在于：

其中，所述高分子聚合物为聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚环烯烃(COP)、聚氨酯(PU)、聚酰亚胺(PI)、环氧树脂中的任意一种。

8.根据权利要求4所述的超宽频太赫兹波减反构件，其特征在于：

其中，每层所述高折射率复合材料层的厚度为100～250μm。

9.一种超宽频太赫兹波吸收器，其特征在于，具有：

低阻硅片；以及

超宽频太赫兹波减反构件，固定于所述低阻硅片上，用于降低太赫兹辐射的反射，

其中，所述超宽频太赫兹波减反构件为权利要求1～8任一项所述的超宽频太赫兹波减反构件。

10.根据权利要求9所述的超宽频太赫兹波吸收器，其特征在于：

其中，所述低阻硅片的厚度不小于300μm，所述超宽频太赫兹波减反构件的厚度为1mm。