本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于常溫制備的二氧化釩相變調(diào)控的3d打印花瓣?duì)畛牧衔ㄆ鳌?/p>

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、太赫茲(thz)波段的電磁波在近年來(lái)引起了大量學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。一個(gè)主要的研究方向是構(gòu)建緊湊且實(shí)用的太赫茲系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建取決于包括太赫茲探測(cè)器、調(diào)制器、開關(guān)和吸收器等小型化組件的研發(fā)。

2、超材料是指人工設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)陣列結(jié)構(gòu)，其呈現(xiàn)出天然材料所不具備的電磁和光學(xué)性質(zhì)方面的卓越能力，如負(fù)折射率，逆斯涅耳定律，逆多普勒效應(yīng)和左手行為等。這些特殊的物理性質(zhì)引發(fā)了人們從無(wú)線電到可見光范圍的廣泛研究。電磁超材料的進(jìn)步極大地提高了我們操縱太赫茲波的能力，這為構(gòu)建實(shí)用的太赫茲器件提供了重要的機(jī)會(huì)。

3、隨著研究的深入，越來(lái)越多樣的超材料結(jié)構(gòu)對(duì)于制備的要求顯著提升，同時(shí)由超材料結(jié)構(gòu)與其他組成部件共同搭建的thz系統(tǒng)也越發(fā)復(fù)雜。傳統(tǒng)的制備方法似乎逐漸不能滿足人們的需求。在過(guò)去，想要制備應(yīng)用在thz波段的超材料結(jié)構(gòu)的主要方法是光刻—刻蝕技術(shù)。而光刻—刻蝕技術(shù)制備工藝復(fù)雜、成本較高，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)球形或者空腔形結(jié)構(gòu)。

4、隨著3d打印技術(shù)的興起，制備超材料結(jié)構(gòu)有了全新的途徑。大多數(shù)3d打印方法，如噴墨打印，立體光刻，熔融沉積成型，和直接激光寫入，他們并不具備制備高精度超材料樣品的能力，而高精度低層厚的面投影微立體光刻(pμsl)3d打印技術(shù)使之成為了可能。

5、自1959年f.j.morin發(fā)現(xiàn)二氧化釩(vo2)的絕緣體-金屬相變(imt)性質(zhì)后，其迅速成為vxoy相變家族中備受關(guān)注的材料。這是因?yàn)関o2的相變溫度為68℃，比室溫稍高，這令其在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中幾乎不存在限制。

6、vo2在室溫時(shí)展現(xiàn)為絕緣狀態(tài)，而在高于相變溫度后突變?yōu)榻饘贍顟B(tài)，其晶體結(jié)構(gòu)從絕緣態(tài)的單斜晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)的金紅石四方晶系。vo2光學(xué)性質(zhì)也在相變過(guò)程中發(fā)生相應(yīng)的變化，電導(dǎo)率的變化更是高達(dá)四個(gè)數(shù)量級(jí)。

7、單晶塊體的vo2在經(jīng)歷多次相變后，其晶體結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸破碎，這一問題影響了vo2在實(shí)際中的應(yīng)用。多晶態(tài)vo2薄膜的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問題。

8、隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)vo2薄膜的相變特性與超材料結(jié)構(gòu)所需要的可調(diào)諧能力極為吻合，且其在thz波段中表現(xiàn)出優(yōu)秀的調(diào)制性能和極佳的開關(guān)能力，這令其在thz波段超材料動(dòng)態(tài)器件的研發(fā)與制備中備受關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于常溫制備的二氧化釩相變調(diào)控的3d打印花瓣?duì)畛牧衔ㄆ鳎梢越鉀Q上述技術(shù)問題中的一個(gè)或者多個(gè)。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案如下：

3、一種基于常溫制備的二氧化釩相變調(diào)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樹脂制備的超材料層與表面涂覆的多晶態(tài)二氧化釩薄膜組成；

4、所述的3d打印超材料吸波器的襯底分為兩種不同的類型：平面型結(jié)構(gòu)和半球形結(jié)構(gòu)；

5、所述平面型結(jié)構(gòu)和半球形結(jié)構(gòu)在宏觀上有平面和半球形的區(qū)別，但是在微觀超材料周期單元上均為相同的花瓣?duì)畛牧辖Y(jié)構(gòu)；

6、所述基于常溫制備的二氧化釩相變調(diào)控的3d打印超材料吸波器，其結(jié)構(gòu)從上到下分別為：涂覆在花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)表面的二氧化釩層，3d打印的花瓣?duì)畛牧辖Y(jié)構(gòu)，涂覆在襯底表面的二氧化釩層，3d打印的樹脂襯底，涂覆在襯底底部的二氧化釩層；

7、所述花瓣?duì)畛牧辖Y(jié)構(gòu)的周期單元由六個(gè)相同的橢圓構(gòu)成；

8、所述3d打印花瓣?duì)畛牧衔ㄆ鲗⒉煌肷浣侨肷涞奶掌澆ń?jīng)過(guò)兩種波導(dǎo)模式吸收，實(shí)現(xiàn)寬角度寬帶完美吸收的效果。所述多晶態(tài)二氧化釩薄膜，利用其熱相變能力，改善了3d打印花瓣?duì)畛牧衔ㄆ鞯恼{(diào)制性能。

9、所述的一種基于常溫制備的二氧化釩相變調(diào)控的3d打印超材料吸波器，其特征在于，所述3d打印超材料部分由樹脂材料構(gòu)成，所述二氧化釩部分由多晶態(tài)二氧化釩薄膜構(gòu)成；

10、所述的3d打印超材料吸波器的襯底分為兩種不同的類型：平面型結(jié)構(gòu)和半球形結(jié)構(gòu)；

11、所述的平面型結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)為12毫米，襯底厚度為1毫米；

12、所述的半球形結(jié)構(gòu)的半徑為6毫米，襯底厚度為1毫米；

13、所述的花瓣?duì)畛牧辖Y(jié)構(gòu)由六個(gè)相同的橢圓構(gòu)成；

14、所述橢圓的長(zhǎng)徑為30微米，短徑為15微米，高為30微米；

15、所述的二氧化釩層包括涂覆在花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)表面的二氧化釩層，涂覆在襯底表面的二氧化釩層以及涂覆在襯底底部的二氧化釩層；

16、所述的二氧化釩層的厚度為150納米。

17、本發(fā)明的技術(shù)效果是：

18、(1)本發(fā)明中，采用高精度低層厚的面投影微立體光刻(pμsl)3d打印技術(shù)制備，這種技術(shù)工藝使得結(jié)構(gòu)中的層紋盡可能的小，層紋對(duì)結(jié)構(gòu)本身的影響降到了最低。

19、(2)本發(fā)明中，采用超聲噴涂法在超材料樣品表面涂覆二氧化釩納米薄膜，該方法使得樹脂樣品得以在常溫下實(shí)現(xiàn)鍍膜，具有能耗低、比傳統(tǒng)方法更環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

20、(3)本發(fā)明中，采用了對(duì)測(cè)試影響最小的非接觸式加熱法，通過(guò)該方法加熱的樣品溫度可控、變化穩(wěn)定且受熱均勻，這對(duì)于高靈敏度太赫茲傳感器的測(cè)試提供了新的思路。

21、(4)本發(fā)明中，基于二氧化釩相變調(diào)控的花瓣?duì)畛牧衔ㄆ骶哂袃?yōu)異的調(diào)制性能和極佳的開關(guān)特性，在電磁隱身、太赫茲成像、傳感、調(diào)制器和光開關(guān)等方面具有應(yīng)用潛力。

技術(shù)特征：

1.一種基于常溫制備的二氧化釩相變調(diào)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樹脂制備的超材料層與表面涂覆的多晶態(tài)二氧化釩薄膜組成；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于常溫制備的二氧化釩相變調(diào)控的3d打印超材料吸波器，其特征在于，所述3d打印超材料部分由樹脂材料構(gòu)成，所述二氧化釩部分由多晶態(tài)二氧化釩薄膜構(gòu)成；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一款基于二氧化釩相變調(diào)控的花瓣?duì)畛牧衔ㄆ?，利用二氧化釩的熱相變特性實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的太赫茲吸波器件。超材料樣品采用高精度低層厚的面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)制備，這種技術(shù)工藝使得結(jié)構(gòu)中的層紋盡可能的小，層紋對(duì)結(jié)構(gòu)本身的影響降到了最低。同時(shí)，我們采用超聲噴涂法在超材料樣品表面涂覆二氧化釩納米薄膜，該方法使得樹脂樣品得以在常溫下實(shí)現(xiàn)鍍膜，具有能耗低、比傳統(tǒng)方法更環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在加熱實(shí)驗(yàn)中，我們采用了對(duì)測(cè)試影響最小的非接觸式加熱法，通過(guò)該方法加熱的樣品溫度可控、變化穩(wěn)定且受熱均勻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)二氧化釩處于絕緣態(tài)時(shí)，超材料樣品的吸收率基本為0，當(dāng)二氧化釩處于金屬態(tài)時(shí)，超材料樣品的吸收率隨著頻率的升高而增強(qiáng)，峰值吸收率約為93.7％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算的高度吻合證明了我們制備及測(cè)試方法的穩(wěn)健性。該方法為THz可調(diào)諧超材料器件的設(shè)計(jì)、制備與測(cè)試提供了新的方案，在THz調(diào)制器，隱身器件、光開關(guān)等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：井緒峰,劉熠昕,田穎,李晨霞,金永興
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)計(jì)量大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5