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系统(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。

$\frac{n_0}{n_1}=\frac{n_1}{n_2}=\frac{n_2}{n_3}=\frac{n_3}{n_4}=\frac{n_4}{n_5}=\frac{n_5}{n_6}=\frac{n_6}{n_{Si}}$

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系统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系统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。