? 文 观察者网心智观察所
中国科学(xue)家，日前实现了前所未有的(de)太赫(he)兹超材料制造技术革新，有望(wang)颠覆6G关键元器件的(de)成本体系，大大加速产业化进程。
太赫(he)兹波，在电磁频谱中位于微波和(he)红外线之间的(de)部(bu)分，频率范围介(jie)于0.1-10THz，具有极(ji)为独(du)特的(de)物理特性(xing)，在安全检测(ce)等诸多领域具有广阔应(ying)用前景，特别是其(qi)特性(xing)可(ke)支(zhi)持超高速无线通信(xin)，理论带宽高达数百Gbps乃至Tbps，被公认为未来6G通信(xin)的(de)核心技术支(zhi)柱。
然而，由(you)于天然材料在这一波段电磁响应(ying)较(jiao)弱，难以有效产生(sheng)太赫(he)兹波，因此具有人(ren)工制造亚(ya)波长尺寸周期性(xing)排列谐振单元的(de)材料，即所谓电磁超材料（Metamaterials），就成为太赫(he)兹功能器件如天线、滤波器研究与应(ying)用的(de)基石(shi)，通过合理设计谐振单元形状、尺寸及空间排布(bu)方式，可(ke)以大幅度提高电磁响应(ying)的(de)多样性(xing)，有力(li)促进了太赫(he)兹技术的(de)快速发展。
然而，电磁超材料的(de)制造长期以来需要(yao)依赖于传统(tong)微纳米(mi)加工技术，其(qi)制备工艺包括光刻技术、电子束曝光、深硅刻蚀和(he)磁控溅射(she)等，虽(sui)然在精度上可(ke)以满足要(yao)求，但工艺流(liu)程、生(sheng)产效率和(he)制造成本均难以满足大规模应(ying)用要(yao)求，并且这种加工方式往往需要(yao)采用衬底为激发表面提供(gong)支(zhi)撑，附加的(de)介(jie)电损耗会衰减(jian)太赫(he)兹波的(de)响应(ying)强度， 无法充分发挥材料性(xing)能。
心智观察所注意到，针对这一重大技术瓶颈，福州(zhou)大学(xue)教授、福建省太赫(he)兹功能器件与智能传感重点实验(yan)室(shi)主(zhu)任钟舜聪带领的(de)研究团队近日取得了技术突破，有望(wang)深刻重塑未来通信(xin)和(he)探测(ce)领域产业格局。
他们破解(jie)难题的(de)杀手锏，是飞秒激光。
顾名思(si)义，飞秒激光就是脉冲宽度为几飞秒到几百飞秒的(de)激光，与连(lian)续激光和(he)长脉冲激光相比，具有超短脉冲宽度及极(ji)高的(de)峰值功率。随着超快激光技术的(de)发展，飞秒激光直写技术在微纳结构加工领域已有广泛应(ying)用，具有系统(tong)简单、工序少、成本低的(de)显著优点。
根据该团队在最新一期《机械(xie)工程学(xue)报》发表的(de)论文，研究人(ren)员采用10微米(mi)厚的(de)金属铝薄膜作为超材料基底，其(qi)柔(rou)韧(ren)性(xing)和(he)导电性(xing)完美满足了柔(rou)性(xing)器件的(de)应(ying)用需求。通过精确控制飞秒激光束在铝薄膜表面的(de)扫描路径和(he)能量输(shu)出，成功地在10微米(mi)厚铝薄膜上实现对THz柔(rou)性(xing)超材料一次成型加工，研究人(ren)员还进一步结合金属薄膜无基底效应(ying)的(de)谐振特点，设计了一种混合结构，能够激发多模式强耦(ou)合效应(ying)，更有效调制太赫(he)兹波在超材料中的(de)透射(she)响应(ying)。
凭借无掩膜、快速成型及高穿透性(xing)的(de)烧蚀特点，飞秒激光直写避开了传统(tong)的(de)复(fu)杂微加工工艺，有望(wang)革命性(xing)降低电磁超材料制备成本和(he)时间。
根据论文介(jie)绍，该技术的(de)核心思(si)路在于飞秒激光直写技术的(de)精准应(ying)用。由(you)于脉冲时间极(ji)短，飞秒激光烧蚀加工时产生(sheng)的(de)热(re)影响区域非常小(xiao)，因此可(ke)以实现"冷加工"。此外，飞秒激光在空间上呈高斯分布(bu)，研究人(ren)员通过调节激光的(de)脉冲能量，使中心区域很小(xiao)一部(bu)分达到多光子吸取或烧蚀阈值，而保留其(qi)余部(bu)分不(bu)发生(sheng)材料去(qu)除，从而实现高精度加工。
研究团队设计了一套完整(zheng)的(de)光路系统(tong)，采用中心波长为800纳米(mi)的(de)飞秒激光作为加工光源(yuan)，脉冲宽度和(he)重复(fu)频率分别为45飞秒和(he)1千赫(he)兹。通过调整(zheng)光阑大小(xiao)来控制光束直径，同时利用半波片和(he)格兰棱镜精确调节激光脉冲能量，从而获得恰好能达到烧蚀阈值的(de)激光功率，确保达到最佳烧蚀效果。计算机控制的(de)电子快门可(ke)以控制激光光束的(de)通断，实现不(bu)连(lian)续结构的(de)精确加工。
为了确保加工精度，使聚焦后的(de)激光光斑足够小(xiao)，同时又避免物镜镜头离样品表面过近，加工碎屑污染镜头，研究人(ren)员采用了一套50倍聚焦物镜，工作距离为3毫米(mi)，NA值为0.5，并引入了由(you)CCD相机、同轴光源(yuan)及远心镜头组成的(de)实时检测(ce)系统(tong)，实现对激光聚焦点的(de)精准定位和(he)监控。
在样品移(yi)动方面，团队使用市售三轴直线位移(yi)平台系统(tong)，该平台在160毫米(mi)行程内提供(gong)纳米(mi)级定位性(xing)能，位移(yi)分辨(bian)率在1-2纳米(mi)之间，定位重复(fu)性(xing)偏差仅为25-35纳米(mi)，确保了微米(mi)级的(de)加工精度。
最终，研究人(ren)员将10微米(mi)厚的(de)金属铝薄膜平整(zheng)粘贴在中心镂(lou)空的(de)样品保持架上并放(fang)置于位移(yi)平台。通过调整(zheng)激光焦点和(he)能量达到约(yue)150毫瓦，精确控制位移(yi)平台以200微米(mi)/秒的(de)速度按照特定路径移(yi)动，在铝薄膜上成功刻画出了所设计的(de)超材料结构，制备了独(du)立(li)无衬底的(de)柔(rou)性(xing)超材料。
加工完成后的(de)光学(xue)显微观察显示(shi)，样品激光烧穿的(de)矩形孔边缘(yuan)平滑，结构完整(zheng)，表面碎屑和(he)重铸层(ceng)很少，表明加工质量良好，飞秒激光能够精确制造出所需尺寸的(de)超材料单元结构，并且与传统(tong)的(de)光刻技术相比无需使用多个不(bu)同尺寸的(de)掩膜板，既简化了材料的(de)加工步骤又缩短了制备周期。虽(sui)然飞秒激光直写技术的(de)精度在微米(mi)及亚(ya)微米(mi)级别逊于传统(tong)微纳加工工艺，但完全能够满足太赫(he)兹超材料几十至几百微米(mi)的(de)加工精度要(yao)求。
将这些(xie)制备后的(de)样品进行测(ce)试还发现，与传统(tong)的(de)硅基微加工工艺相比，这种方法制备的(de)超材料无需硬质硅基支(zhi)撑，能够作为独(du)立(li)结构进行多次拆卸、变(bian)形及拓展，适用于各种复(fu)杂多变(bian)的(de)曲面环境，极(ji)大地满足了太赫(he)兹柔(rou)性(xing)器件的(de)实际工程应(ying)用需求。
研究团队通过飞秒激光直写技术的(de)"冷加工"特点，实现了太赫(he)兹柔(rou)性(xing)金属超材料的(de)一次成型加工，成功克服了传统(tong)硅基微加工方法中掩膜难、成形慢及高厚度等限制，并且无衬底结构避免了基底效应(ying)的(de)影响。由(you)于金属薄膜本身具有高柔(rou)韧(ren)性(xing)、高腐蚀性(xing)和(he)耐热(re)性(xing)，基于飞秒激光烧蚀加工的(de)金属超材料在柔(rou)性(xing)太赫(he)兹器件领域展现出巨大的(de)应(ying)用潜力(li)。同时，多共振模式之间的(de)强耦(ou)合效应(ying)和(he)混合结构设计改善了纯金属超材料低Q值等问题，为太赫(he)兹器件在传感检测(ce)和(he)峰值调制方面提供(gong)了可(ke)移(yi)植性(xing)的(de)制备方案和(he)设计思(si)路。
总体而言，这一突破性(xing)技术有望(wang)大幅降低未来6G通信(xin)关键元器件的(de)制造成本，对推动太赫(he)兹技术在通信(xin)等领域的(de)实际应(ying)用具有重要(yao)意义，6G通信(xin)的(de)实用化进程，或许将就此获得新的(de)加速度。
来源(yuan)|心智观察所