寬頻太赫茲減反增透器件研究進(jìn)展

張君++徐公杰 蔡斌

摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外寬頻太赫茲減反增透器件的研究進(jìn)展以及在基于高阻硅襯底的聚苯乙烯上用熱壓印法制備出的一種減反結(jié)構(gòu)。利用這一減反結(jié)構(gòu)制備出的減反器件的透射率比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要增加近20%，在基于高阻硅襯底的高折射率納米復(fù)合材料（TiO2COP）上，經(jīng)熱壓印后的減反器件在1.02 THz處的透過(guò)率為64.9%。最后簡(jiǎn)要地介紹了太赫茲減反增透器件的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：

太赫茲； 復(fù)合材料； 減反； 熱壓?。?高折射率

中圖分類號(hào)： O 436.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.015

Abstract： In the THz region highresistivity silicon a very common optical component in a terahertz system has a very wide range of applications.Through the introduction of research progress of the terahertz broadband antireflection photonic device in recent years both at home and abroad broadband antireflective structure by a hot deformation（the highest transmittance is about 20% more than that of general structure and broadband antireflective highrefractive composite（TiO2COP）and the highest transmittance is 64〖BF〗.9% at 1〖BF〗.02 THz）are respectively studied.Finally we briefly introduce the practical applications of terahertz broadband antireflective photonic device.

Keywords：

terahertz；composite material；antireflective； hot deformation； high refractive

引言

太赫茲波的波動(dòng)頻率一般為0.1～10 THz，介于微波和中紅外頻率范圍之間[1]。太赫茲波作為一種獨(dú)特的輻射波，其性能給分子生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、安全檢查、天文以及未來(lái)的通信系統(tǒng)等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者展開(kāi)了對(duì)太赫茲及其相關(guān)領(lǐng)域的研究。近二十年來(lái)，由于超快光子技術(shù)和低尺度半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，為太赫茲輻射提供了合適的激發(fā)光源和探測(cè)手段，這使得太赫茲科學(xué)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了飛速發(fā)展[25]。

太赫茲波的產(chǎn)生是太赫茲科學(xué)技術(shù)研究的關(guān)鍵，然而太赫茲源（如光電導(dǎo)天線）轉(zhuǎn)換為太赫茲輻射波的效率和能量常常相當(dāng)?shù)?，這大大地抑制了太赫茲系統(tǒng)的發(fā)展。此外，太赫茲功能元件通常因其表面反射損耗和法布里珀羅諧振影響了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和光譜的分辨率，因此，減反對(duì)許多太赫茲裝置來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的減反技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了許多年，例如最常用而簡(jiǎn)單的方法是在高阻硅上鍍一層低折射率、厚度為四分之一波長(zhǎng)的介電材料，這一方法也同樣適用于太赫茲波，但是具有透射率低、帶寬窄的合適涂層材料不容易找到[67]。高分子聚合物是一種多功能材料，具有易加工、低損耗、透明性的優(yōu)點(diǎn)，這使得許多聚合物如聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和環(huán)烯烴聚合物（COP）可以在太赫茲波段中得到廣泛應(yīng)用[8]。本文主要介紹太赫茲減反增透器件的工作原理，研究進(jìn)展和典型的制備方法。

1太赫茲減反增透研究進(jìn)展

近幾十年來(lái)，太赫茲技術(shù)的快速發(fā)展以及高阻硅在太赫茲器件上的廣泛應(yīng)用，使得降低高阻硅表面的反射損耗成為太赫茲學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。1999年Englert等提出了利用四分之一波長(zhǎng)增透原理的方法制備高阻硅的減反器件[6]，器件選用的是PE膜（在波數(shù)84 cm-1處折射率為1.52）涂于高阻硅上。在波數(shù)為84 cm-1（約2.5 THz）處所設(shè)計(jì)的器件透過(guò)率可達(dá)到90%左右。2000年Gatesman等同樣利用四分之一波長(zhǎng)增透原理，將高阻硅兩邊涂上聚對(duì)二甲苯材料[7]。這種三層結(jié)構(gòu)的器件在0.45～2.80 THz的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)40%以上的透過(guò)率，其中最高可達(dá)到90%以上。但是這類方法制備的太赫茲增透器件存在帶寬窄，并且材料不容易制備的缺點(diǎn)。

1984年Mcknight等提出了新的金屬膜吸收設(shè)計(jì)方法[9]，基于金屬納米膜吸收時(shí)域信號(hào)的反射峰，器件可以實(shí)現(xiàn)良好的減反效果。2007年Kroll等根據(jù)阻抗匹配原理，使用菲涅耳公式進(jìn)行建模制作出另一種減反增透器件。實(shí)驗(yàn)表明鉻和ITO薄膜可以作為有效的增透膜以減少太赫茲的反射[10]。但是這類方法制作出的器件在吸收反射峰的同時(shí)對(duì)主峰也會(huì)有很大的影響，所以應(yīng)用范圍并不廣泛。

近幾年利用光刻、腐蝕、切割等工藝對(duì)高阻硅表面進(jìn)行浮雕設(shè)計(jì)的方法成為制作寬頻減反增透器件主要方法。例如，Chen等[11]在高阻硅襯底上制備金字塔的三維結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)改變金字塔的結(jié)構(gòu)周期，有效地把截止頻率從0.74～2.93 THz的帶寬增強(qiáng)到0.91～3.15 THz。這類方法提高了器件的透過(guò)率和帶寬，但是整個(gè)制作流程耗時(shí)長(zhǎng)，而且工藝復(fù)雜，不利于實(shí)際生產(chǎn)加工。

除了以上幾種常用的方法，近幾年超材料也開(kāi)始應(yīng)用于太赫茲波的減反增透的設(shè)計(jì)[1213]，但由于其工作帶寬較窄，一般在2 THZ以下，所以很大程度上限制了超材料在這一方面的應(yīng)用。

2工作原理

寬頻太赫茲減反增透器件實(shí)現(xiàn)減反增透效應(yīng)的基本原理主要是：構(gòu)造折射率漸變的涂覆材料和等效介質(zhì)理論。

2.1漸變折射率

1962年，Bernhard 和 Miller通過(guò)對(duì)蛾眼的觀察研究，發(fā)現(xiàn)其表面排列著一種圓錐形凸起陣列結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)利用空氣和眼睛之間形成漸變的有效折射率，從而大幅度降低眼睛表面的反射。受到這一減反結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，許多漸變折射率的表面陣列結(jié)構(gòu)被研究和制備。通過(guò)抗反射和薄膜的阻抗匹配原理的組合來(lái)消除整個(gè)器件的反射，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)吸收峰的疊加。通過(guò)在表面制備凹凸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)漸變折射率的剖面，不僅減少了菲涅耳反射損耗，而且增大了寬帶。根據(jù)等效折射率公式，每一層的折射率為

3寬頻太赫茲減反增透器件的制作研究

基于漸變折射率和等效介質(zhì)理論設(shè)計(jì)出的寬頻太赫茲減反增透器件具有非常好的減反增透效果。例如Li等利用針灸針在聚苯乙烯層上制作出的一種寬頻太赫茲減反結(jié)構(gòu)[14]，其透射率比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要增加近20%，并且頻寬更寬。Chen等研究設(shè)計(jì)的高折射率復(fù)合材料減反器件[13]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以得到一個(gè)頻寬更寬（0.2～1.6 THz）、減反效果更好（反射率僅為7%）的器件。

3.1熱壓印法制備寬頻太赫茲減反結(jié)構(gòu)[14]

Li等[14]在2015年介紹了一種利用金屬模具且在高阻硅為襯底的PS表面上構(gòu)造凹凸結(jié)構(gòu)的寬頻太赫茲減反增透器件，所使用的金屬模具是采用成束緊密貼合的針灸針加工而成。然后利用熱壓印技術(shù)構(gòu)建了一層由外向內(nèi)折射率逐漸變化的減反結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

器件制作時(shí)首先是將PS旋涂在高阻硅表面，然后將帶有PS膜的高阻硅和金屬模具加熱至110 ℃，并施加50 N的力壓制材料。系統(tǒng)冷卻后進(jìn)行脫模，得到如圖1的表面結(jié)構(gòu)。采用太赫茲時(shí)域光譜儀系統(tǒng)（THzTDS） 測(cè)試樣品的透射率，樣品的有效帶寬為0.1～1.6 THz，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由于高阻硅的表面反射，所以透射率只有50%；有單面PS膜的高阻硅的透過(guò)率（膜厚為120 μm），在0.37 THz和1.10 THz位置（分別為π和3π相位）透過(guò)率約為58%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，雙面有結(jié)構(gòu)的PS膜的透射率比不經(jīng)過(guò)處理PS膜的高阻硅結(jié)構(gòu)的器件有顯著提高，透過(guò)率最高值約為80%。

根據(jù)Li的研究，利用熱壓印的方法制備一種折射率漸變的結(jié)構(gòu)有效地降低了法布里珀羅諧振效應(yīng)，提高了減反增透效果。

3.2太赫茲高折射率復(fù)合材料減反器件

2015年Wang等提出了一種利用高折射率無(wú)機(jī)復(fù)合材料制作的減反器件[15]。無(wú)機(jī)復(fù)合材料是由高折射率的二氧化鈦納米顆粒和COP復(fù)合而成，同時(shí)調(diào)配不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的二氧化鈦可以得到不同折射率的復(fù)合材料，折射率最高可達(dá)3.1。器件制作時(shí)首先是利用球磨法制備二氧化鈦的分散液。選用的材料為金紅石型二氧化鈦，介電常數(shù)為39.5，粒徑約為1 μm。然后將1 μm的TiO2顆粒放到120～180 μm的ZrO2珠甲苯溶液內(nèi)進(jìn)行球磨，球磨速度為300 rad/min，時(shí)間約為5～8 h。取出TiO2的分散液，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的COP顆粒，攪拌3～4 h后，將其均勻地旋涂在玻璃片上，并放在真空烘箱里使甲苯溶劑充分揮發(fā)，溫度為60～80 ℃，時(shí)間為6～8 h。最后將復(fù)合材料從玻璃片上分離出來(lái)，得到無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，并利用FiCO THzTDS （@Zomega Corp.）測(cè)試分析所得的TiO2COP的介電性能。

當(dāng)二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為30%、50%和80%，可以得到折射率為1.73、1.98和3.10的復(fù)合材料，并且在0.1～1.6 THz的范圍內(nèi)比較平穩(wěn)。圖3為1 THz時(shí)折射率分布曲線和等效介質(zhì)理論匹配的結(jié)果?？梢缘贸鯰iO2COP復(fù)合材料的折射率能夠與Bruggeman模型相匹配。

圖4為THzTDS的測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示經(jīng)熱壓印后的TiO2COP膜的透過(guò)率有顯著的提高，在1.02 THz位置透過(guò)率達(dá)到最高為64.9%。

折射率為3.1的太赫茲高折射率材料是利用TiO2與COP復(fù)合而成，并且符合Bruggeman理論。這一材料在太赫茲波段下具有高透性，其折射率可以通過(guò)TiO2與COP的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，其可調(diào)范圍較寬。將折射率為3.1的復(fù)合材料旋涂于高阻硅上，并用熱壓印法制備凹凸結(jié)構(gòu)，得到的減反增透器件在0.2～1.6 THz范圍內(nèi)有平均64%的高透過(guò)率。

4結(jié)論

太赫茲減反增透技術(shù)在太赫茲領(lǐng)域一直備受關(guān)注。本文介紹了兩種典型的太赫茲減反增透器件，這兩種器件分別利用簡(jiǎn)單的熱壓印工藝技術(shù)以及制備高折射率復(fù)合材料的方法達(dá)到了寬頻減反的要求。但是這兩種器件依然存在一些問(wèn)題，例如無(wú)法在太赫茲全波段下有效工作，菲涅耳反射不能完全消除等。目前太赫茲減反增透器件也一直朝著寬頻、低反射的方向發(fā)展，并在逐步簡(jiǎn)化制備方法，同時(shí)力求找到更加有效、簡(jiǎn)便、實(shí)用的器件，將其更好地應(yīng)用于太赫茲系統(tǒng)中。

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（編輯：劉鐵英）