一種超寬頻太赫茲波減反構(gòu)件及超寬頻太赫茲波吸收器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太赫茲波吸收器領(lǐng)域，具體涉及一種超寬頻太赫茲波減反構(gòu)件及超寬 頻太赫茲波吸收器。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著太赫茲技術(shù)的高速發(fā)展，對太赫茲功能器件的工作頻率提出了越來 越高的要求，超寬頻太赫茲器件在諸多的應(yīng)用領(lǐng)域起到重要作用。
[0003] 2008年，波士頓大學(xué)的N.I.Landy教授首先提出了基于電磁超材料的完美吸收 器。這是一種基于超材料的電磁諧振吸收器，通過合理設(shè)計器件的物理尺寸及材料參數(shù)，能 夠與入射電磁波的電磁分量產(chǎn)生耦合，從而對入射到吸收器的特定頻帶內(nèi)的電磁波實現(xiàn)高 效吸收。該吸收器共有3層結(jié)構(gòu)，頂層是一個金屬亞波長諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，中間夾一層介質(zhì)層， 底部為一金屬條，底部的金屬條將阻隔電磁波的傳播，從而降低器件的透過率，頂部的金屬 亞波長諧振環(huán)結(jié)構(gòu)能在某一特定頻率實現(xiàn)透過系數(shù)，反射系數(shù)的振幅和相位，從而與底部 金屬層的反射波產(chǎn)生相消干涉，實現(xiàn)反射率的降低。但是這種吸收材料在制備過程中需要 多步光刻以及對準(zhǔn)，研制相對復(fù)雜，對于特定頻率的電磁波，其最大吸收率達(dá)到了 70 %。
[0004] 隨后，Tao等提出了一種改進(jìn)型的基于超材料的電磁波吸收器，與第一種吸收器 的區(qū)別是其底層的金屬條變成了連續(xù)金屬薄膜。這種器件因為引入了連續(xù)金屬薄膜作為 底層，電磁波不能夠穿過整個材料，使得這種吸收器對0°~50°角入射的電磁波均具有 90%以上的強吸收。在此之后，以連續(xù)金屬薄膜為底層的三層式結(jié)構(gòu)成為超材料吸收器最 常用的結(jié)構(gòu)。
[0005] -般的太赫茲寬頻吸收器都是通過電磁超材料結(jié)構(gòu)的周期排列而實現(xiàn)，通過合理 的設(shè)計太赫茲功能器件的物理尺寸以及材料的參數(shù)，能夠與入射的電磁波的電磁分量產(chǎn)生 耦合，進(jìn)而對于入射到吸收器的特定頻帶內(nèi)的電磁波實現(xiàn)100%的吸收。一般來說，電磁超 材料在太赫茲頻段的特征尺寸較小，因而無法使用精密機械加工，或是薄膜蒸鍍加工，所以 這使得在太赫茲頻段下的多層超材料結(jié)構(gòu)的堆疊幾乎難以實現(xiàn)。雖然，電磁超材料的太赫 茲吸器器件已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但吸收率低、頻帶窄、造價高等一系列問題，很大的限 制了其在實際應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是為解決上述問題而進(jìn)行的，采用了如下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明提供了一種超寬頻太赫茲波減反構(gòu)件，具有這樣的特征：該超寬頻太赫茲 波減反構(gòu)件的折射率的范圍為1. 2~3. 5,由多層折射率順序變化的復(fù)合材料層組成。復(fù)合 材料層自靠近襯底的一層開始，折射率逐漸減小。
[0008] 本發(fā)明提供的超寬頻太赫茲波減反構(gòu)件，還可以具有這樣的特征：包含一層折射 率為1. 2~1. 5的低折射率復(fù)合材料層，以及至少一層折射率為1. 5~3. 5的高折射率復(fù) 合材料層，優(yōu)選5層，每層高折射率復(fù)合材料層的厚度優(yōu)選為100~250μm。
[0009] 本發(fā)明提供的超寬頻太赫茲波減反構(gòu)件，還可以具有這樣的特征：低折射率復(fù)合 材料層由中空的納米或微米小球與高分子聚合物復(fù)合而成；高折射率復(fù)合材料層由氧化鈦 粉、氧化鋯粉、硅粉中的任意一種與高分子聚合物復(fù)合而成，所述五層高折射率復(fù)合材料層 中的氧化鈦粉、氧化鋯粉或硅粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同。其中，中空的納米或微米小球為中空聚苯 乙烯球或中空石英球；高分子聚合物為聚乙烯（PE)、聚苯乙烯（PS)、聚環(huán)烯烴（C0P)、聚氨 酯（PU)、聚酰亞胺（PI)、環(huán)氧樹脂中的任意一種。
[0010] 進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了一種超寬頻太赫茲波吸收器，由低阻硅片，以及固定于 該低阻硅片上超寬頻太赫茲波減反構(gòu)件構(gòu)成。其中，超寬頻太赫茲波減反構(gòu)件為上所述的 超寬頻太赫茲波減反構(gòu)件。低阻硅片的厚度不小于300μm，超寬頻太赫茲波減反構(gòu)件的厚 度為lmm〇
[0011] 發(fā)明作用與效果
[0012] 本發(fā)明提供了一種新的超寬頻太赫茲波吸收器的設(shè)計理論和方案，是依據(jù)折射率 漸變增透原理，將多層折射率順序變化的復(fù)合材料層依次重疊組成減反構(gòu)件，然后將其旋 涂于低阻硅上。這一器件可以工作在太赫茲全頻段（〇. 1~30THZ)，大大的拓寬了之前的利 用電磁超材料結(jié)構(gòu)的周期排列的太赫茲吸收器的工作頻寬；同時，由于減反構(gòu)件可以在折 射率為1. 2~3. 5的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，能夠極大降低太赫茲波輻射的反射，并且此吸收器結(jié) 構(gòu)簡單，制作方便，吸收率高，制作成本低。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的超寬頻太赫茲波吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明的納米氧化鈦復(fù)合材料層的折射率與利用有效介質(zhì)理論匹配下的 結(jié)果圖；
[0015]圖3是本發(fā)明的實際制備的超寬頻太赫茲波吸收器的減反構(gòu)件的剖面結(jié)構(gòu)的SEM 圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明的實際制備的超寬頻太赫茲波吸收器的仿真結(jié)果圖；
[0017]圖5是本發(fā)明的超寬頻太赫茲波吸收器在0.1-1. 5THz頻段下的吸收率的結(jié)果 圖；
[0018]圖6是本發(fā)明的超寬頻太赫茲波吸收器在1-lOTHz頻段下的吸收率的結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0019] 以下結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0020] 圖1為本實施例的超寬頻太赫茲波吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 如圖1所示，超寬頻太赫茲波吸收器的襯底為低阻硅片，中間為五層折射率不同 的高折射率復(fù)合材料層，最上層為低折射率復(fù)合材料層，每層的厚度為100~250μm。本實 施例中，中間的高折射率復(fù)合材料層為納米氧化鈦復(fù)合材料層，低折射率復(fù)合材料層為中 空PS微球復(fù)合材料層。
[0022] 以下對納米氧化鈦復(fù)合材料層和中空PS微球復(fù)合材料層的制備方法，以及太赫 茲超寬頻段吸收器的吸收率的計算方法進(jìn)詳細(xì)說明：
[0023] -、納米氧化鈦復(fù)合材料層的制備方法
[0024] 首先，取一定量的20nm的金紅石型納米氧化鈦于乙醇中，并加入少量的表面修飾 劑（byk-111)球磨6-8h;然后加入不同量的環(huán)氧樹脂（TTA-21P江蘇泰特爾新材料科技有 限公司）和固化劑（間苯二甲胺），TTA-21P與間苯二甲胺的比例為2:1，攪拌2h后，100°C 下固化。調(diào)節(jié)納米氧化鈦在整個體系中的含量比，可以制得不同折射率的復(fù)合材料。
[0025] 利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)（THz-TDS)對制備的納米氧化鈦復(fù)合材料進(jìn)行折射率 的分析與表征，結(jié)果如圖2所示，當(dāng)納米Ti02的質(zhì)量百分比分別為27%、33%、44%、57%、 67%時，其實際折射率分別對應(yīng)為1. 96、2. 09、2. 41、2. 84、3. 19,和有效介質(zhì)理論相匹配。通 過調(diào)節(jié)Ti02的含量，可以使得納米氧化鈦復(fù)合材料的折射率在1. 5~3. 5范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。
[0026] 二、中空PS微球復(fù)合材料層的制備方法
[0027] 取中