文 观察者网心智观察所

中国科学家日前实现了太赫兹超材料制造技术的革新，且这种革新是前所未有的。这一革新有望颠覆 6G 关键元器件的成本体系，同时也能大大加速产业化的进程。

太赫兹波位于电磁频谱中微波和红外线之间的部分，其频率范围在 0.1 - 10THz 之间，具有独特物理特性，在安全检测等众多领域有广阔应用前景，尤其其特性能支持超高速无线通信，理论带宽可达数百 Gbps 甚至 Tbps，被公认为未来 6G 通信的核心技术支柱。

天然材料在这一波段电磁响应较弱，难以有效产生太赫兹波。所以，具有人工制造亚波长尺寸周期性排列谐振单元的材料，也就是所谓电磁超材料（Metamaterials），成为了太赫兹功能器件如天线、滤波器研究与应用的基石。通过合理设计谐振单元的形状、尺寸以及空间排布方式，能够大幅度提高电磁响应的多样性，有力地推动了太赫兹技术的快速发展。

然而，电磁超材料的制造长期依赖传统微纳米加工技术。其制备工艺包含光刻技术、电子束曝光、深硅刻蚀和磁控溅射等。尽管在精度方面能满足要求，但工艺流程、生产效率和制造成本都难以满足大规模应用的需求。并且这种加工方式通常需要用衬底为激发表面提供支撑，附加的介电损耗会使太赫兹波的响应强度衰减，从而无法充分发挥材料的性能。

心智观察所留意到，对于这一重要的技术瓶颈，福州大学的教授钟舜聪带领的研究团队取得了技术突破。钟舜聪是福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室的主任，该团队近日的成果有望对未来通信和探测领域的产业格局产生深刻的重塑作用。

他们破解难题的杀手锏，是飞秒激光。

顾名思义，飞秒激光是脉冲宽度处于几飞秒到几百飞秒范围的激光。与连续激光以及长脉冲激光相比较而言，它具备超短的脉冲宽度以及极高的峰值功率。伴随超快激光技术的不断发展，飞秒激光直写技术在微纳结构加工领域已经有了广泛的应用，并且具有系统较为简单、工序较少、成本较为低廉的显著优势。

该团队在最新一期《机械工程学报》发表的论文表明，研究人员选用了 10 微米厚的金属铝薄膜当作超材料基底。这种基底的柔韧性非常好，导电性也很出色，完全满足了柔性器件的应用需求。研究人员通过精确控制飞秒激光束在铝薄膜表面的扫描路径以及能量输出，成功在 10 微米厚铝薄膜上实现了对 THz 柔性超材料的一次成型加工。并且，他们还进一步结合金属薄膜无基底效应的谐振特点，设计了一种混合结构，这种结构能够激发多模式强耦合效应，从而更有效地调制太赫兹波在超材料中的透射响应。

飞秒激光直写凭借其无掩膜的特点，能够快速成型，并且具有高穿透性的烧蚀特性，因此避开了传统的复杂微加工工艺，有望在降低电磁超材料制备成本和时间方面带来革命性的变化。

论文介绍称，该技术的核心思路是精准应用飞秒激光直写技术。因为飞秒激光的脉冲时间极短，所以在进行烧蚀加工时，产生的热影响区域很小，进而能够实现“冷加工”。飞秒激光在空间上呈高斯分布。研究人员调节激光的脉冲能量，让中心区域中很小的一部分能够达到多光子吸收或烧蚀阈值。同时，保留其余部分不发生材料去除。这样就实现了高精度加工。

从而确保达到最佳烧蚀效果。计算机控制的电子快门能够控制激光光束的通与断，从而达成不连续结构的精确加工。

研究人员采用了一套 50 倍聚焦物镜，其工作距离为 3 毫米，NA 值为 0.5，这样能确保加工精度，使聚焦后的激光光斑足够小。同时，为避免物镜镜头离样品表面过近而导致加工碎屑污染镜头，研究人员引入了由 CCD 相机、同轴光源及远心镜头组成的实时检测系统，以实现对激光聚焦点的精准定位和监控。

团队在样品移动方面使用市售的三轴直线位移平台系统。这个平台在 160 毫米的行程范围内能够提供纳米级的定位性能。它的位移分辨率处于 1 到 2 纳米之间。其定位重复性偏差仅仅是 25 到 35 纳米。通过这些特性，确保了加工精度达到微米级。

研究人员把 10 微米厚的金属铝薄膜平整地粘贴在了中心镂空的样品保持架上。之后，将其放置在了位移平台上。通过对激光焦点和能量进行调整，使其达到约 150 毫瓦。接着，精确控制位移平台，让其以 200 微米/秒的速度按照特定路径移动。最终，在铝薄膜上成功刻画出了所设计的超材料结构，从而制备出了独立无衬底的柔性超材料。

加工完成后的光学显微观察表明，样品激光烧穿的矩形孔边缘平滑且结构完整，表面碎屑和重铸层极少。这显示加工质量良好。同时也表明飞秒激光能够精确制造出所需尺寸的超材料单元结构，并且与传统光刻技术相比，无需使用多个不同尺寸的掩膜板，既简化了材料的加工步骤，又缩短了制备周期。飞秒激光直写技术的精度在微米及亚微米级别方面比传统微纳加工工艺差。然而，它完全可以满足太赫兹超材料几十至几百微米的加工精度要求。

对这些制备后的样品进行测试后发现，这种方法制备的超材料与传统的硅基微加工工艺不同。它无需硬质硅基支撑，能够作为独立结构，可进行多次拆卸、变形及拓展。并且它适用于各种复杂多变的曲面环境，极大地满足了太赫兹柔性器件的实际工程应用需求。

研究团队利用飞秒激光直写技术的“冷加工”特性。实现了太赫兹柔性金属超材料的一次成型加工。成功地战胜了传统硅基微加工方法中掩膜困难、成形缓慢以及高厚度等方面的限制。并且由于无衬底结构，避免了基底效应带来的影响。金属薄膜本身具备高柔韧性、高腐蚀性以及耐热性。基于飞秒激光烧蚀加工的金属超材料在柔性太赫兹器件领域显示出极大的应用潜力。多共振模式之间存在强耦合效应，混合结构设计改善了纯金属超材料低 Q 值等问题，为太赫兹器件在传感检测和峰值调制方面提供了可移植性的制备方案与设计思路。

这一突破性技术总体而言有望使未来 6G 通信关键元器件的制造成本大幅降低，它对推动太赫兹技术在通信等领域的实际应用有着重要意义，或许 6G 通信的实用化进程将因此获得新的加速度。

来源|心智观察所