阅读说明：本技术 一种基于热压工艺的柔性多层膜超材料制备及表征方法 (Flexible multilayer film metamaterial preparation and characterization method based on hot pressing process ) 是由 赵国忠 孟田华 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：一种基于热压工艺的柔性多层膜超材料制备及表征方法。包括针对常规柔性多层膜的热压模具、热压环境、后期淬火方法和太赫兹波谱无损表征手段。该多层膜超材料制备及表征方法,依据COMSOL软件对热压模型热传递的仿真模拟结果所确定的热压温度,通过调控压制温度、淬火时间来实现多层膜超材料的制备,同时辅助高分辨率的真空太赫兹时域光谱无损检测手段对其进行压制性能的表征,相较常规的电子束刻蚀(EBL)、聚焦离子束(FIB)、干涉刻蚀(IL)和纳米压印刻蚀(NIL)技术等多层柔性材料制备技术,此方法具有低成本、高精度、可制备大面积多层膜超材料等特点。(A method for preparing and characterizing a flexible multilayer film metamaterial based on a hot pressing process. The method comprises a hot-pressing die, a hot-pressing environment, a later quenching method and a terahertz spectrum nondestructive characterization means aiming at the conventional flexible multilayer film. According to the method for preparing and characterizing the multilayer film metamaterial, the preparation of the multilayer film metamaterial is realized by regulating and controlling the pressing temperature and the quenching time according to the hot pressing temperature determined by the simulation result of the COMSOL software on the heat transfer of a hot pressing model, and the characterization of the pressing performance of the multilayer film metamaterial is performed by a high-resolution vacuum terahertz time-domain spectroscopy nondestructive testing method.)

一种基于热压工艺的柔性多层膜超材料制备及表征方法

技术领域

本发明涉及人工电磁材料，具体涉及基于热压工艺的柔性多层膜超材料制备和太赫兹光谱无损表征方法。

背景技术

超材料(metamaterials)是指具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的、具有独特电磁特性的人工复合材料。利用超材料的设计思想，人们已开展了对完美透镜(PerfectLens)、偏振器、平面滤波器、电磁波吸收器以及电小天线等人工材料器件的研究。近年来，太赫兹(THz)技术在THz源、成像、安全检查等方面发展迅速，利用多层结构的超材料设计了各种各样的THz滤波器、吸收器、传感器等功能器件，多层膜超材料被认为是填补“THz空隙”最有潜力的材料之一。为了实现高性能的THz功能器件，满足实际应用的需求，柔性多层膜超材料成为人们关注的焦点。

如同材料科学的许多分支一样，太赫兹超材料的研究重点不仅仅是理论分析、设计与性能检测，还包括其具体微纳结构的制备技术与结构实现。在理论预测和仿真模拟方面，无论具有多么奇特的物理现象，都只能等其结构能够真正得以实现时，才能真正去验证理论推测和模拟结果，进而实现真正的应用目的。近年来，随着纳米加工技术的发展，特别是光刻技术、飞秒激光以及先进光学制造技术的出现，使得光学超材料的制备技术得以快速发展。由于其结构单元需要控制在光波长范围，即几百纳米，所以相比微波频段的超材料结构，光学超材料的制备更富有挑战性。目前，光学超材料的制备方法，主要包括电子束刻蚀(EBL)、聚焦离子束(FIB)、干涉刻蚀(IL)和纳米压印刻蚀(NIL)等方法。但是，EBL主要缺点是效率低，时间长，价格高。因此，不适合制作大面积或批量制备光学超材料结构；虽然FIB法时间效率比较高，但其并不是制造高品质光学超材料的首选。因为该过程在本质上是一种破坏和污染，制备过程中高能离子束可能注入到样品表面，引起超材料结构单元成分和形状发生改变，从而导致超材料的实际检测性能与预测结果产生差异；IL法仍属于光刻蚀过程，同样受到光波衍射极限的限制。此外，不同于EBL和标准光刻蚀技术可处理几乎任意形状的图形，IL法在周期结构的几何形状方面很受限制；NIL技术虽然成功应用于室温下的红外手性超材料结构制备，但很少用于新型超材料结构的制备验证，因为其模版或模具的制备过程相当复杂，往往涉及到其它刻蚀过程，如电子束刻蚀、光刻蚀、聚焦离子束以及反应离子刻蚀等方法。其它制备金属－介质层－金属结构光学超材料纳米结构的方法还有电子束直写、聚焦离子束化学气相沉积、三维全息光刻等，但大多会受到材料和几何结构的严格限制。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的制备工艺步骤多、成本高、制备尺寸有限以及单层超表面堆积时膜层间的空气间隙、精确对准等问题，提出一种基于热压工艺的柔性多层膜超材料制备及表征方法。

本发明的技术方案是：

一种基于热压工艺的柔性多层膜超材料制备及表征方法，该方法利用真空热压方法，将多个具有特定性能的柔性超表面单膜层交替堆叠压制成多层膜超材料，其中柔性超表面单膜层由单层的亚波长金属结构层和作为衬底的介质层构成，两侧的最外层均为亚波长金属结构层，最后利用太赫兹时域光谱评估热压效果、表征其性能；所述制备和表征方法包括以下步骤：

(1)、根据介质层的熔点值和COMSOL模拟热压模型热传递的仿真结果，确定热压温度，作为预设真空干燥箱的加热温度值；

(2)、真空干燥箱达到预设热压温度值后，将需要热压的多个柔性超表面单膜层材料(结构原始单元)按超材料结构性能所确定的方向精确堆叠，放入不锈钢模具中央并夹紧固定后，放入真空干燥箱抽，抽真空并继续加热；

(3)、待真空干燥箱再次达到预设热压温度后，维持一段时间T；

(4)、从真空干燥箱取出模具进行自然淬火后，可获得已热压好的柔性多层膜超材料；

(5)、利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)对已制备好的多层膜超材料进行无损光谱表征，并提供多层膜超材料的THz检测光谱图。

可选的，所述的柔性多层膜超材料是由亚波长金属结构层－介质层－亚波长金属结构层……－介质层－亚波长金属结构层交替堆叠热压而成。

可选的，所述的多层膜超材料结构均由结构原始单元即超表面单膜层堆叠后热压而成；结构原始单元是利用光刻蒸镀的方法将金属蒸镀在单层介质层上所形成；

优选地，所述的柔性多层膜超材料，其中亚波长金属结构层的材料选自Au、Ag、Nb、Cu或Al中的一种或两种在太赫兹波段由亚波长结构单元组成的金属超表面，这种金属具有良好的导电性能；所述亚波长金属结构层的厚度为100nm～250nm；而介质层则选择以下一种介电常数较低的柔性高分子薄膜材料：聚酰亚胺(Polyimide，PI)、麦拉片(Mylar)、聚对二甲苯(Parylene-C)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Naphthalate，PEN)、氟化镁(MgF₂)；苯并环丁烯(Benzocyclobutene，BCB)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、环烯烃共聚物(CycloolefinCopolymer，COC)，聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)；所述介质层的厚度为20μm～80μm。

优选地，步骤(1)中所述热压温度值为低于多层膜超材料结构中介质层的熔点值、且刚达到熔融状态3min时对应的温度值。

优选地，步骤(3)中维持的时间T由COMSOL模拟热压模型热传递的仿真结果中介质层所达到预设热压温度的时间确定。

优选地，步骤(4)中自然淬火时间为10min～15min。

优选地，利用THz-TDS真空系统对已制备好的柔性多层膜超材料进行检测，并提供不少于6个均匀分布点位置处的THz透射光谱图来表征多层膜超材料的性能。

本发明的优点和有益效果：

本发明中多层膜超材料结构的制备在真空加热箱中进行，保证了多层膜超材料结构的洁净和表面的平整度，同时模具尺度的灵活选择提供了大面积制备结构的可能性，此外，利用THz-TDS真空系统对热压成型超材料性能的表征，也可为制备工艺的精确调控提供有效参考。所以，本发明解决了现有技术制备多层超材料结构的制备工艺复杂，步骤多、成本高、制备尺寸有限的技术问题，实现了通过热压工艺可制备出高质量的柔性多层膜超材料的技术效果。此外，本发明选用太赫兹时域光谱系统来对制备好的柔性多层膜超材料进行表征，此技术相对于常规的扫描电镜、原子力显微镜等不仅可以精确表征表面平整度，同时可获得材料内部平整情况；而相对破坏性较大的横截面查看内部均匀度方法，则又体现了无损、非接触式的优点。

附图说明

图1为柔性多层膜超材料制备环境示意图；

图中，1真空干燥箱，2模具及样品；

图2为图1中的模具及超材料样品放置与固定位置的放大示意图；

图3为实施例1和2中由衬底材料及COMSOL模拟仿真结果所确定的预设温度及加热时间值参考图；

图4为实施例1中多层膜超材料结构的光学显微镜图；

图5为实施例1中应用本发明制备得到的多层膜超材料结构THz光谱图；

图6为实施例2中多层膜超材料结构的光学显微镜图；

图7为实施例2中应用本发明制备得到的多层膜超材料结构THz光谱图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、所达目的与功效易于明白了解，下面将结合附图及具体实施例，对基于热压工艺的柔性多层膜超材料制备方法进行详细说明。

实施例1

图4所示为一个对柔性超表面单膜层进行封装后所获得的太赫兹涡旋光束产生器的电子显微图。该三层结构是由厚度为75μm的Mylar介质层与蒸镀了200nm厚的亚波长Au膜与厚度为75μm的Mylar介质层所构成的柔性超表面单膜层结构热压而成。该三层膜超材料结构的具体制备及工作过程如下：

步骤一、清洗

1.将柔性超表面单膜层结构即本例中的蒸镀在Mylar介质层上的亚波长Au膜结构与用作封装的Mylar介质层用去离子水浸泡后，并将Mylar介质层用80W超声波清洗5min；

2.将模具用酒精擦拭干净，并风干(见图2)；

3.真空太赫兹系统所用样品架用酒精擦拭干净，并风干。

步骤二、热压

1.结合Mylar膜的性质及图4所显示的COMSOL仿真模拟的结果，确定预设热压温度值为253℃(见图3)；

2.设定好真空干燥箱的加热温度值为253℃并开始加热(见图1)；

3.真空干燥箱达到253℃后，将清洗后的柔性超表面单膜层和用作封装的Mylar介质层，按照用作封装的Mylar介质层在最上面，柔性超表面单膜层结构中的Au膜朝上介质层在下的顺序堆叠好后放入不锈钢模具中央并固定后(见图4)，放入真空干燥箱(见图1)抽真空后继续加热61min，该加热时间值由COMSOL仿真模拟的结果60.48min进位所确定(见图3)；

4.待真空干燥箱再次达到预设热压温度后，维持5min左右；

5.从真空干燥箱取出模具进行自然淬火12min后，可获得已热压好的多层膜超材料。

步骤三、检测

1.将已热压好的多层膜超材料，放置于真空太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)的样品室中；

2.利用真空THz-TDS对已制备好的多层膜超材料进行检测，对整个样品表面测试不少于6个位置；

3.对测试得到的THz光谱数据进行处理并成图(见图5)，由图中数据可见，9个位置所得THz光谱基本相同，无明显峰位延迟或衰减，说明此热压封装而成的三层膜柔性衬底超材料结构内部无气泡等不平整现象，实现了预定目的，是一个合格的成品。

实施例2

图7所示为一个可调节振幅和相位的太赫兹涡旋相位板电子显微图。该结构是由三个柔性超表面单膜层热压而成，分别为刻痕方向垂直的Mylar介质层Au膜光栅单元，蒸镀在Mylar介质层上的亚波长Au膜结构，刻痕方向水平的Mylar介质层Au膜光栅单元。其中Au膜厚度均为200nm，介质层为厚度75μm的Mylar膜。该多层膜柔性衬底超材料结构的具体制备及工作过程如下：

步骤一、清洗

1.将三个柔性超表面单膜层结构(见图6)，即两个光栅结构单元和一个柔性超表面单膜层结构，用去离子水浸泡后，并用80W超声波清洗5min；

2.将模具用酒精擦拭干净，并风干(见图2)；

3.真空太赫兹系统所用样品架用酒精擦拭干净，并风干。

步骤二、热压

参考Mylar膜的熔点，确定预设热压温度值为253℃(见图3)；

1.设定好真空干燥箱的加热温度值为253℃并开始加热；

2.真空干燥箱达到253℃后，将清洗后的三个柔性超表面单膜层结构，按照图7所示的顺序堆叠后放入不锈钢模具中央并固定(见图4)，将模具放入真空干燥箱(见图1)抽真空后继续加热61min，该加热时间值由COMSOL仿真模拟的结果60.48min进位所确定(见图3)；

3.待真空干燥箱再次达到预设热压温度后，维持5min左右；

4.从真空干燥箱取出模具进行自然淬火14min后，可获得已热压好的多层膜柔性衬底超材料结构；

步骤三、检测

1.将已热压好的多层膜柔性衬底超材料结构，放置于真空太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)的样品架上；

2.利用真空THz-TDS对已制备好的多层膜柔性衬底超材料结构进行检测，对整个样品表面测试不少于6个位置；

3.对测试得到的THz光谱数据进行处理并成图(见图7)，由图中数据可见，9个位置所得THz光谱基本相同，无明显峰位延迟或衰减，说明此热压而成的多层膜柔性衬底超材料结构内部无气泡等不平整现象，实现了预定目的，是一个合格的成品。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的工艺及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。