三维各向同性超材料、其制造方法、以及具备该超材料的太赫兹区域光学元件技术

本发明专利技术提供一种三维各向同性超材料、其制造方法以及太赫兹区域光学元件，该三维各向同性超材料的特征在于，在透明树脂体中随机地包含将SRR埋设到透明树脂立方体中而成的SRR埋设块片的集聚体。设块片的集聚体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】三维各向同性超材料、其制造方法、以及具备该超材料的太赫兹区域光学元件


[0001]本专利技术涉及三维各向同性超材料。更详细而言，涉及三维各向同性超材料、具备该三维各向同性超材料的太赫兹区域光学元件和三维各向同性超材料的制造方法。

技术介绍

[0002]太赫兹波是频率为0.1THz～10THz左右的电磁波，具有物质固有的指纹谱和高透射性，对生物体的影响小，因此被认为可用于安保及医疗方面的传感，近年来正在积极进行研究。例如，有报道称，根据太赫兹波的透射光谱的差异，成功判断了信封中的药物(Optics Express,11卷,2549～2554,2003；非专利文献1)。
[0003]但是，太赫兹区域的传感技术尚不发达。其理由可以举出：在太赫兹波段可用作光学元件的低损耗材料为表1所示的程度，设计自由度较小。
[0004]【表1】
[0005]表1：太赫兹元件用材料的折射率
[0006]材料名太赫兹波段中的折射率聚甲基戊烯(TPX)1.456
±
0.001(1～10THz)聚乙烯1.52
±
0.02(1～8THz)COP(Tsurupica)1.56金刚石2.383
±
0.002(4.25～6.3THz)硅单晶(Si)3.4175
±
0.0001(0.5～4.5THz)PTFE(特氟龙)1.44～1.48(1.5～6THz)
[0007]因此，作为能够控制透射或折射等光学特性的材料，提出了由波长较小的微小金属构成的人工结构体即超材料。在太赫兹区域，已经表明通过在聚合物膜上制作金属制线的图案，在特定频率下可获得现有材料的2倍以上的折射率(Infrared Milli Terahz Waves,38卷,1130～1139,2017；非专利文献2)，期待用于小型化且高性能的透镜及棱镜等中。图1所示的开口谐振环(Split Ring Resonator；以下简称为SRR)在环的一部分设有间隙，可以视为将间隙部分作为电容的LC谐振电路，原则上能够在谐振频率附近改变折射率(Optics Letters,30卷,1348～1350,2005；非专利文献3)。
[0008]非专利文献2和3中记载的超材料均为平面周期结构，响应仅限于特定的入射方向。但是，实际上需要对所有入射方向均以相同方式响应的结构。另外，为了充分确保与电磁波的相互作用距离，还需要毫米(mm)数量级以上的厚度结构。
[0009]为了解决该课题，需要具有由于微细结构而具有各向同性的光学特性的三维结构的超材料。但是，通常使用的平版印刷法难以制作具有厚度的结构，需要新的方法。
[0010]作为三维超材料，迄今为止提出了在树脂壁面制作SRR的方法(Adv.Mater.22卷,5053～5057,2010；非专利文献4)。该方法在基板平面外构筑一个层，可制作的厚度具有界限。另外，已报道了一种超材料，其在基板上重叠了将SRR图案化的层(Nature Materials,7
卷,31～37,2008；非专利文献5)。根据非专利文献5，可制作的厚度没有限制，但SRR的朝向存在限制，具有特性随方向变化的问题。因此，目前尚未实现具有完全的各向同性的超材料。
[0011]现有技术文献
[0012]非专利文献
[0013]非专利文献1：Optics Express,11卷,2549～2554(2003)
[0014]非专利文献2：Infrared Milli Terahz Waves,38卷,1130～1139(2017)
[0015]非专利文献3：Optics Letters,30卷,1348～1350(2005)
[0016]非专利文献4：Adv.Mater.,22卷,5053～5057(2010)
[0017]非专利文献5：Nature Materials,7卷,31～37(2008)

技术实现思路

[0018]专利技术所要解决的课题
[0019]本专利技术的课题在于提供一种超材料及其制造方法，该超材料中，SRR等超原子(超材料单元结构)不依赖于方向而以分散的方式立体地埋设在透明介质(树脂)中，并且，验证所制作的超材料具有所期望的光学特性(各向同性、折射率控制性)。
[0020]用于解决课题的手段
[0021]本专利技术人通过具体实施方式的项(后述)中说明的方法对三维各向同性太赫兹区域用超材料结构进行三维模型的设计(计算与响应)、制作和实验，通过利用有限积分法(FIT)的计算示出具有随机结构的三维超材料的有用性，确立了SRR不依赖于方向而分散于环烯烃聚合物(COP)中的三维超材料的制作方法，对所制造的超材料测定光学特性(各向同性、折射率控制性)，验证并确认了所制作的三维超材料与平面的周期结构相比消除了偏振光依赖性。并且，确认所制作的三维超材料在0.35THz波段实现了1.50～1.60的折射率，在0.7THz波段实现了1.43～1.60的折射率，由此完成了本专利技术。
[0022]即，本专利技术提供下述[1]～[14]的三维各向同性超材料、其制造方法以及具备该超材料的物品。
[0023][1]一种三维各向同性超材料，其特征在于，其在透明树脂体中包含将超原子埋设到透明树脂中而成的超原子块片的集聚体。
[0024][2]如前项1所述的三维各向同性超材料，其中，超原子为SRR。
[0025][3]如前项2所述的三维各向同性超材料，其在透明树脂体中包含将SRR埋设到透明树脂体的中央部或其附近而成的SRR块片集聚体。
[0026][4]如前项2或3所述的三维各向同性超材料，其中，SRR块的尺寸为：环宽w为1μm以上，平均半径r为1μm～500μm，周期(一片)a为3μm～3000μm。
[0027][5]如前项4所述的三维各向同性超材料，其中，SRR由导电性材料(导电体)构成。
[0028][6]如前项5所述的三维各向同性超材料，其中，上述导电体为选自由金属材料、透明导电性氧化物和碳材料组成的组中的至少一种。
[0029][7]如前项1～6中任一项所述的三维各向同性超材料，其中，透明树脂体的材料是对太赫兹区域的光为透明的非导电性材料。
[0030][8]一种三维各向同性超材料的制造方法，其特征在于，包括下述工序：工序(P1)，
在透明树脂膜(1a)上形成导电体膜，通过蚀刻形成超原子块集合体；工序(p2)，在上述超原子块集合体上涂布透明树脂溶液后，贴合透明树脂膜(1b)；工序(p3)，干燥后，将上述透明树脂膜(1a)与基板片(2)接合；工序(p4)，将超原子块集合体切割(dicing)成规定尺寸后，作为在透明树脂(1)中埋设有超原子的块片从基板片(2)剥离；工序(p5)，在模型(模具)内将超原子埋设块片均匀分散到透明树脂溶液中后进行固化，将固化成型体从模具中取出。
[0031][9]如前项8所述的三维各向同性超材料的制造方法，其中，超原子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种三维各向同性超材料，其特征在于，其在透明树脂体中包含将超原子埋设到透明树脂中而成的超原子块片的集聚体。2.如权利要求1所述的三维各向同性超材料，其中，超原子为SRR。3.如权利要求2所述的三维各向同性超材料，其在透明树脂体中包含将SRR埋设到透明树脂体的中央部或其附近而成的SRR块片集聚体。4.如权利要求2或3所述的三维各向同性超材料，其中，SRR块的尺寸为：环宽w为1μm以上，平均半径r为1μm～500μm，周期即一片a为3μm～3000μm。5.如权利要求4所述的三维各向同性超材料，其中，SRR由导电性材料即导电体构成。6.如权利要求5所述的三维各向同性超材料，其中，所述导电体为选自由金属材料、透明导电性氧化物和碳材料组成的组中的至少一种。7.如权利要求1～6中任一项所述的三维各向同性超材料，其中，透明树脂体的材料是对太赫兹区域的光为透明的非导电性材料。8.一种三维各向同性超材料的制造方法，其特征在于，包括下述工序：工序(P1)，在透明树脂膜(1a)上形成导电体膜，通过蚀刻形成超原子块集合体；工序(p2)，在所述超原子块集合体上涂布透明树脂溶液后，贴合透明树脂膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：金森义明，羽根一博，
申请(专利权)人：国立大学法人东北大学，
类型：发明
国别省市：