- 设计了一种吸收结构，将太赫兹波转化为热量并高速检测
- 利用3D打印机和成膜技术制造的具有三维热传导路径的中空结构，实现高太赫兹波吸收率和快速热响应
- 用于构建下一代通信基础设施的高性能太赫兹波功率传感器元件技术
开发产品照片（左），开发产品与传统产品的性能比较（右）。
国家研究开发人员 米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）制造技术研究本部桑野元气研究员、穗刈良平首席研究员、栗原一马物理测量标准研究部研究主任、东岛裕也研究员、木下元研究组组长都高太赫兹波我们开发了一种太赫兹波吸收器，兼具吸收率和快速热响应，以及出色的可制造性。
太赫兹波功率传感器通过利用吸收体将太赫兹波转换为热量并检测当时的温度上升来计算太赫兹波的绝对强度。因此，为了实现测量精度高、响应快的太赫兹波功率传感器，需要具有优异吸收率和温升率的吸收体。然而，它作为下一代通信技术的基础而受到关注6G频段太赫兹波，传统的吸收体已经无法同时实现高吸收率和高温升率。在这项研究中，我们设计了一种三维中空结构，可以在保持高吸收率的同时实现快速升温，并使用3D打印和化学镀技术制造该结构。评估的结果是，我们在6G频段实现了99%以上的吸收率，并且温升率是传统产品的两倍以上。该技术将提高6G功率传感器的精度和更快的响应速度，为利用太赫兹波的下一代通信技术的普及做出贡献。该开发产品将于2023年10月4日起在高功能材料周展位（27-15）展出。
所有人和事物都互联，创造前所未有的新价值社会50必不可少的下一代通信基础设施，第六代移动通信系统（6G）的技术开发正在进行中。 （参见国立信息通信研究所的Beyond 5G/6G白皮书）。 6G设想使用01 THz到03 THz的太赫兹波来实现超高速、大容量的无线通信。除了半导体收发设备外，高性能太赫兹波功率传感器的开发也是实现6G必不可少的发展要素。使用功率传感器对光源进行评估和对探测器进行校准是普及光源和探测器以及基站维护的必要技术。
特别是太赫兹区域的小型光源的强度提高并不容易，需要高精度的功率传感器来精确测试是否满足所需功率。另一方面，除了评估为迎接6G而计划大量生产的半导体光源外，提高功率传感器的响应速度也很重要，因为需要在改变光源的电流/电压特性和频率的同时进行测量。
然而，目前还没有在6G频段开发出精度和响应速度与6G频段以外的可见光、红外和太赫兹频段商用功率传感器相当或更高的功率传感器。这是由于表征功率传感器精度的太赫兹波吸收体的吸收率在6G频段急剧下降。即使通过使用诸如金字塔结构的三维结构来提高吸收率以提高精度，体积的增加也会损害吸收体的温升速率并降低功率传感器的响应速度。如果我们能够开发出具有优异的太赫兹波吸收率和温升率以及出色的可制造性的吸收体，则可以将其开发为测量仪器制造商使用的管理型太赫兹波功率传感器，以及在工业界和普通用户中普及的商用功率传感器，从而开发出利用太赫兹波的下一代通信技术社会化所必需的产品。
基于这一背景，在本研究中，我们开始开发同时实现高太赫兹波吸收率和高温升率的太赫兹波吸收体。为了解决该技术的问题，除了自由控制太赫兹光学特性之外，还需要提出考虑温升速率的吸收结构，并开发其制造方法。 AIST的制造技术研究部门开发了在近红外和可见光区域具有世界最高性能的光学元件，例如在比传统光学元件更宽的入射角范围内实现低反射特性，以及制造具有低反射率的高度耐用的偏光片。2020 年 11 月 24 日 AIST 新闻稿、2019 年 7 月 1 日 AIST 新闻稿）。 AIST物理测量标准研究部一直在开发具有世界最高绝对强度测量灵敏度的室温太赫兹波功率传感器（2016 年 1 月 18 日 AIST 新闻稿）。因此，在本研究中，我们结合制造技术研究部和物理测量标准研究部拥有的技术，开发出一种兼具高太赫兹波吸收率和高温升率、且可制造性高的太赫兹波吸收器。
图1显示了旨在实现高太赫兹波吸收率和高温升率的吸收结构的概念图。本研究采用带有缝隙和孔的树脂空心金字塔结构。通过形成诸如金字塔结构的三维结构，可以降低太赫兹波的反射率。另外，创建如图1所示的小体积中空结构会影响温升速率热容量可以做得更小。但树脂在6G频段的太赫兹波吸收率极低，不足10%，因此即使降低反射率也无法提高吸收率，大部分太赫兹波会透过树脂。另外，由于树脂的热传导率低，因此即使降低热容量也无法实现高的升温速度。
所以我们金属趋肤深度我们考虑在结构的表面上形成1纳米至100纳米的更薄的金属膜。比趋肤深度薄的金属薄膜可以用作吸收层，从而补偿树脂非常小的吸收率。另外，金属薄膜的热容量较小，金属薄膜吸收太赫兹波时产生的热能导致金属薄膜的温升较大。此外，热能流入温度梯度和热导率较大的区域。金属薄膜的导热率比树脂高一个数量级以上，因此如图1所示，金属薄膜中产生的热能传递到金属薄膜而不是树脂。由于该效果，整个金属薄膜层的温度升高得比树脂的温度升高得快，使得可以比简单的树脂中空结构更大地提高升温速率。
此外，我们将注意力转向 3D 打印机，以实际生产我们设计的吸收材料。近年来，3D打印机制造技术的发展令人瞩目，除了能够高精度打印复杂形状外，制造速度也大幅提升，使得3D打印机作为按需制造方式的商业化成为可能。我们结合3D打印机和电磁热设计的特点研究了最佳结构。
此外，为了实现这一概念，需要在中空结构的表面形成一层金属薄膜，作为吸收层和导热层。因此，在本研究中，我们开发了一种化学镀工艺，可以在由树脂制成的三维中空结构的表面上形成厚度均匀的金属薄膜层。在这项研究中，我们通过选择电导率比传统太赫兹吸收膜中使用的镍铬合金等金属更低的镍磷化学镀膜，实现了更厚的趋肤深度和即使膜厚度变化几纳米，其光学特性也几乎不会改变的吸收膜。因此，我们创造了一种金属薄膜，可以轻松调整其厚度，以优化透射率、反射率和吸收率。通过上述制造过程，我们实现了图1所示的吸收器概念。迄今为止，已有通过创建金字塔结构等三维结构来提高吸收率的技术，但在本研究中，通过创建结合中空金字塔结构和金属薄膜的吸收结构，我们不仅能够实现高吸收率，而且能够实现高升温速率。
图1同时实现高吸收率和高升温率的太赫兹波吸收体概念图
表1显示了开发的吸收器和传统吸收器的性能。这些吸收器的详细特性分别如图 2(a) 和 (b) 所示。图2(a)显示了吸收率与频率的关系，图2(b)显示了温度上升特性。如图2（a）所示，市售太赫兹波功率传感器中安装的玻璃基吸收器（市售平板型）和树脂基吸收器（传统平板型）在6G频段吸收率波动较大，平均吸收率约为50%，降低了功率传感器的精度。另一方面，具有三维结构的常规产品可以实现99%以上的极高吸收率，这可以提高功率传感器的精度。然而，由于需要几毫米高的结构，因此升温时间较长（图2（b）中的蓝线）。该研发产品的三维中空结构吸波体也有数毫米高，但带有薄金属膜的树脂中空结构可同时实现高吸波率和高温升率。因此，在6G频段吸波率超过99%的同时，温升率是传统三维结构产品的8倍以上，是平板商用产品和常规产品的2倍以上。
表1 开发产品与传统吸收器性能比较
图 2：(a) 吸收率的频率依赖性。插图是放大图。 (b)吸收器的温升特性。
此外，本研究中使用的使用3D打印机的制造方法不仅可以轻松增加吸收体的面积，而且还具有能够制造弯曲、圆柱形和球形等各种形状的优点（图3）。通过制作这样的吸收体，可以高效地检测从特定方向传播的太赫兹波。通过利用这一特性，预计不仅可以测量太赫兹波的绝对强度，还可以测量从远处天线发射的太赫兹波的分布和传播，从而推动太赫兹波检测技术的进一步进步。
图 3：使用 3D 打印机制造的自由形状吸收器。 (a) 弯曲型。 (b) 圆柱形。 (c) 空心球型
我们将继续研发6G功率传感器，并致力于社会实施。此外，近年来，3D打印机的精度、尺寸和速度都迅速提高，使其商业化成为可能。通过应用3D打印机的形状自由度以及本研究的金属薄膜形成工艺和电磁设计技术，我们的目标不仅是吸收特性，还可以自由控制反射特性、透射特性和偏振特性。基于该技术，我们将推动6G高性能组件的研发。展望未来，我们将继续结合产业需求和市场，通过产学合作积极推进研发，创造能够轻松生产有助于解决社会问题的光学元件的技术和概念。