一种基于常温制备的二氧化钒相变调控的3D打印超材料吸波器

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种基于常温制备的二氧化钒相变调控的3d打印花瓣状超材料吸波器。

背景技术：

0、技术背景

1、太赫兹(thz)波段的电磁波在近年来引起了大量学者的广泛关注和研究。一个主要的研究方向是构建紧凑且实用的太赫兹系统，这个系统的构建取决于包括太赫兹探测器、调制器、开关和吸收器等小型化组件的研发。

2、超材料是指人工设计的亚波长阵列结构，其呈现出天然材料所不具备的电磁和光学性质方面的卓越能力，如负折射率，逆斯涅耳定律，逆多普勒效应和左手行为等。这些特殊的物理性质引发了人们从无线电到可见光范围的广泛研究。电磁超材料的进步极大地提高了我们操纵太赫兹波的能力，这为构建实用的太赫兹器件提供了重要的机会。

3、随着研究的深入，越来越多样的超材料结构对于制备的要求显著提升，同时由超材料结构与其他组成部件共同搭建的thz系统也越发复杂。传统的制备方法似乎逐渐不能满足人们的需求。在过去，想要制备应用在thz波段的超材料结构的主要方法是光刻—刻蚀技术。而光刻—刻蚀技术制备工艺复杂、成本较高，同时难以实现球形或者空腔形结构。

4、随着3d打印技术的兴起，制备超材料结构有了全新的途径。大多数3d打印方法，如喷墨打印，立体光刻，熔融沉积成型，和直接激光写入，他们并不具备制备高精度超材料样品的能力，而高精度低层厚的面投影微立体光刻(pμsl)3d打印技术使之成为了可能。

5、自1959年f.j.morin发现二氧化钒(vo2)的绝缘体-金属相变(imt)性质后，其迅速成为vxoy相变家族中备受关注的材料。这是因为vo2的相变温度为68℃，比室温稍高，这令其在实验和实际应用环境中几乎不存在限制。

6、vo2在室温时展现为绝缘状态，而在高于相变温度后突变为金属状态，其晶体结构从绝缘态的单斜晶系转变为金属态的金红石四方晶系。vo2光学性质也在相变过程中发生相应的变化，电导率的变化更是高达四个数量级。

7、单晶块体的vo2在经历多次相变后，其晶体结构会逐渐破碎，这一问题影响了vo2在实际中的应用。多晶态vo2薄膜的出现，解决了这个问题。

8、随着研究的不断深入，人们发现vo2薄膜的相变特性与超材料结构所需要的可调谐能力极为吻合，且其在thz波段中表现出优秀的调制性能和极佳的开关能力，这令其在thz波段超材料动态器件的研发与制备中备受关注。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于常温制备的二氧化钒相变调控的3d打印花瓣状超材料吸波器，可以解决上述技术问题中的一个或者多个。

2、为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：

3、一种基于常温制备的二氧化钒相变调控的3d打印超材料吸波器，其特征在于，所述3d打印超材料吸波器由树脂制备的超材料层与表面涂覆的多晶态二氧化钒薄膜组成；

4、所述的3d打印超材料吸波器的衬底分为两种不同的类型：平面型结构和半球形结构；

5、所述平面型结构和半球形结构在宏观上有平面和半球形的区别，但是在微观超材料周期单元上均为相同的花瓣状超材料结构；

6、所述基于常温制备的二氧化钒相变调控的3d打印超材料吸波器，其结构从上到下分别为：涂覆在花瓣状结构表面的二氧化钒层，3d打印的花瓣状超材料结构，涂覆在衬底表面的二氧化钒层，3d打印的树脂衬底，涂覆在衬底底部的二氧化钒层；

7、所述花瓣状超材料结构的周期单元由六个相同的椭圆构成；

8、所述3d打印花瓣状超材料吸波器将不同入射角入射的太赫兹波经过两种波导模式吸收，实现宽角度宽带完美吸收的效果。所述多晶态二氧化钒薄膜，利用其热相变能力，改善了3d打印花瓣状超材料吸波器的调制性能。

9、所述的一种基于常温制备的二氧化钒相变调控的3d打印超材料吸波器，其特征在于，所述3d打印超材料部分由树脂材料构成，所述二氧化钒部分由多晶态二氧化钒薄膜构成；

10、所述的3d打印超材料吸波器的衬底分为两种不同的类型：平面型结构和半球形结构；

11、所述的平面型结构的边长为12毫米，衬底厚度为1毫米；

12、所述的半球形结构的半径为6毫米，衬底厚度为1毫米；

13、所述的花瓣状超材料结构由六个相同的椭圆构成；

14、所述椭圆的长径为30微米，短径为15微米，高为30微米；

15、所述的二氧化钒层包括涂覆在花瓣状结构表面的二氧化钒层，涂覆在衬底表面的二氧化钒层以及涂覆在衬底底部的二氧化钒层；

16、所述的二氧化钒层的厚度为150纳米。

17、本发明的技术效果是：

18、(1)本发明中，采用高精度低层厚的面投影微立体光刻(pμsl)3d打印技术制备，这种技术工艺使得结构中的层纹尽可能的小，层纹对结构本身的影响降到了最低。

19、(2)本发明中，采用超声喷涂法在超材料样品表面涂覆二氧化钒纳米薄膜，该方法使得树脂样品得以在常温下实现镀膜，具有能耗低、比传统方法更环保等优点。

20、(3)本发明中，采用了对测试影响最小的非接触式加热法，通过该方法加热的样品温度可控、变化稳定且受热均匀，这对于高灵敏度太赫兹传感器的测试提供了新的思路。

21、(4)本发明中，基于二氧化钒相变调控的花瓣状超材料吸波器具有优异的调制性能和极佳的开关特性，在电磁隐身、太赫兹成像、传感、调制器和光开关等方面具有应用潜力。

技术特征：

1.一种基于常温制备的二氧化钒相变调控的3d打印超材料吸波器，其特征在于，所述3d打印超材料吸波器由树脂制备的超材料层与表面涂覆的多晶态二氧化钒薄膜组成；

2.根据权利要求1所述的一种基于常温制备的二氧化钒相变调控的3d打印超材料吸波器，其特征在于，所述3d打印超材料部分由树脂材料构成，所述二氧化钒部分由多晶态二氧化钒薄膜构成；

技术总结
本发明公开了一款基于二氧化钒相变调控的花瓣状超材料吸波器，利用二氧化钒的热相变特性实现了可调谐的太赫兹吸波器件。超材料样品采用高精度低层厚的面投影微立体光刻(PμSL)3D打印技术制备，这种技术工艺使得结构中的层纹尽可能的小，层纹对结构本身的影响降到了最低。同时，我们采用超声喷涂法在超材料样品表面涂覆二氧化钒纳米薄膜，该方法使得树脂样品得以在常温下实现镀膜，具有能耗低、比传统方法更环保等优点。在加热实验中，我们采用了对测试影响最小的非接触式加热法，通过该方法加热的样品温度可控、变化稳定且受热均匀。实验结果显示，当二氧化钒处于绝缘态时，超材料样品的吸收率基本为0，当二氧化钒处于金属态时，超材料样品的吸收率随着频率的升高而增强，峰值吸收率约为93.7％。实验结果与仿真计算的高度吻合证明了我们制备及测试方法的稳健性。该方法为THz可调谐超材料器件的设计、制备与测试提供了新的方案，在THz调制器，隐身器件、光开关等领域具有极大的应用前景。

技术研发人员：井绪峰,刘熠昕,田颖,李晨霞,金永兴
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5