【目次】
- 1. 金属導波路アレイと3Dプリント構造に基づくプラグアンドプレイ・テラヘルツ多機能メタデバイス
- 2. 3Dプリンティングとマイクロ流体技術に基づく新しい多層広帯域テラヘルツメタマテリアル吸収体
メタマテリアル（Metamaterial）とは、天然素材にはない特別な物理的特性を持つ人工素材のことです。 メタマテリアルは、自然界にはない方法で光や他の形態のエネルギーと相互作用することを可能にし、マイクロ／ナノスケールのパターンや構造を中心に設計されています。一般的なメタマテリアルには、主に電磁メタマテリアル、音響メタマテリアル、機械メタマテリアル、熱メタマテリアルなどがあり、その応用分野はそれぞれ、メタマテリアルレンズ、エネルギー、ステルス迷彩、通信、音響デバイスなどです。
図1 メタマテリアルの分類と代表的な応用例（出典：Mater. Today, 2021, 50, 303-328）
メタマテリアルの構造は、人工的に設計されたサブ波長の微細構造が特定の方法で配置されたものです。積層造形技術は設計の自由度が大きく、非常に複雑な微細構造を高精度で、迅速に作製することができ、メタマテリアルの複雑な構造、加工の難度を効果的に克服することができます。同時に、メタマテリアルの巨視的/微細構造成形の統合を達成することに役立ち、さらに高解像度、高忠実度、スケーラブルな製造（scalable fabrication）の多機能メタマテリアル、メタ構造、メタコンポーネントを実現します。
以下は、メタマテリアル分野におけるBMF（PμSL）3Dプリンティング技術の関連応用事例です。
1. 金属導波路アレイと3Dプリント構造に基づくプラグアンドプレイ・テラヘルツ多機能メタデバイス
メタデバイス（metadevices）の出現は、特に天然材料が乏しいテラヘルツ帯（terahertz band）における電磁波操作に、前例のない能力を提供します。しかし、ほとんどのメタデバイスは単一機能で作製されているため、さまざまな応用シナリオに適応させることが困難です。これまでに提案されたアクティブ・チューニング方式は、スーパーデバイスの機能を拡張するものではあるが、これらの方式は、外部制御可能な励起源（controllable excitation sources）に依存しており、システムの制限と複雑さを増大させます。さらに重要なことは、従来のテラヘルツ・スーパーデバイスの作製方法は、ほとんどが半導体技術に基づいており、通常、時間とコストがかかり、特に低周波テラヘルツ帯（low-frequency THz band）では、より大きな課題に直面しています。
このため、Xiaolei Wangの研究チームは、金属ホールの異常透過（anomalous transmission）、導波路透過効果(waveguide transmission effect)、有効媒質理論に基づき(effective medium theory)、金属ホールと誘電体柱を組み合わせて、セルラーユニットとしてスーパーデバイスを設計しました。金属ホールと誘電体柱の組み合わせは、スーパーデバイス設計のセル単位として用いられ、再構成可能な多機能スーパーデバイスプラットフォームが提案されています。
関連研究成果は「Plug-and-play terahertz multifunctional metadevices based on metal waveguide arrays and 3D printed structures」と題し、『Virtual and Physical Prototyping』誌に掲載されています。
図2 金属導波路アレイと3Dプリント構造を統合したテラヘルツ多機能メタデバイスプラットフォームの模式図
この多機能メタデバイスプラットフォームは、金属導波路アレイ（MWA）と異なる3Dプリント構造（図2に示す）の統合により、テラヘルツ周波数領域において、直交する2つの偏波の偏波、位相、振幅を独立かつ同時に操作することを実現します。
特に、感光性樹脂で作られた3Dプリント構造は、BMF microArch® S350 3Dプリンターを用いて、周期2.7mm（0.9λ）、高さ5mm（≒1.67λ）の16×16セルからそれぞれ作製しました。異なる3Dプリント構造を交換することで、スーパーデバイスを異なる機能間で再構成し、偏光選択、ビーム偏向、デュアルチャンネルイメージング機能を実現することができます。さらに、プリント構造の変更による機能再構成に加えて、このスーパーデバイスのユニークなプラグイン・コンビネーション・デザインは、規制の自由度をさらに高めています。
図 3 金属導波路アレイと統合された異なるプリント構造のスーパーデバイス
本研究は、テラヘルツの再構成可能な多機能スーパーデバイスの開発に重要な理論的・技術的支 援を与える新しいモジュール設計手法を提示するものです。この設計法は、多機能集積化に貢献するだけでなく、テラヘルツ・スーパーデバイスを効率的かつ低コストで作製するための新しいアイデアを提供し、レーダー、無線通信、イメージングなどの大規模アプリケーションに特に有望です。
2. 3Dプリンティングとマイクロ流体技術に基づく新しい多層広帯域テラヘルツメタマテリアル吸収体
電磁メタマテリアルは、テラヘルツ対応デバイスの性能を向上させるために、電磁波の変調と操作を可能にします。メタマテリアル吸収体は、その特殊な構造により、テラヘルツ波エネルギーの損失を最大化しながら、入射テラヘルツ波の透過と反射を最小化することができます。しかし、従来のデバイスや天然材料の多くは、テラヘルツ波に対する応答が弱く、テラヘルツ・メタマテリアル吸収体の研究は、通常、従来の「サンドイッチ」構造に基づく2次元構造に集中しており、製造時の位置合わせの問題や、製造の複雑さとコストの高さに悩まされています。
これらの問題を解決するために、Tao Dengらは、3Dプリンティング技術とマイクロ流体技術を組み合わせて、多層広帯域テラヘルツメタマテリアル吸収体を作製しました。
関連研究成果は「A Novel Multilayer Broadband Terahertz Metamaterial Absorber Based on Three- Dimensional Printing and Microfluidics Technologies」と題し、『IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology』誌に掲載されています。
研究者らはまず、図4に示すように、BMF microArch® S140 3Dプリンターを用いて、特殊なマイクロ流路を多層に備えたテラヘルツ・メタマテリアル吸収体を作製し、そのマイクロ流路内部を液体金属で満たしました。この設計は、3Dプリンティングのカスタマイズ性と迅速な製造を活用するだけでなく、マイクロ流体によるメタマテリアルメタライゼーションにおける従来のナノ加工技術のボトルネックを解決するものでもあります。
図4 テラヘルツ・メタマテリアル吸収体の作製
実験の結果、提案したテラヘルツ・メタマテリアル吸収体は偏光感受性を示し、横電気偏光モード（transverse electric polarization mode）では入射角の影響を受けず、0.26～0.56 THzの周波数範囲で良好な広帯域吸収性能を持つことがわかりました。0.26~0.56THzの周波数範囲では、良好な広帯域吸収性能を有し、45°の広い入射角の下でも80%以上の高い吸収率を維持できます。広帯域吸収の物理的メカニズムは、主にファブリ・ペロー（F-P）振動と双極子共鳴（dipole resonances）の組み合わせに基づいています。また、この広帯域吸収体は、従来の「サンドイッチ」吸収体とは異なり、埋め込み構造を有しているため、異なる層に液体金属を充填することでテラヘルツ変調器を作製することができます。
図5 液体金属充填前後のテラヘルツ・メタマテリアル吸収体の光学像
この研究は、3Dプリンティング技術とマイクロ流体技術を組み合わせることで、複雑な3次元構造を持つテラヘルツ・メタマテリアル・デバイスを迅速、簡便、低コストで作製するもので、従来のマイクロ・ナノファブリケーション技術の限界を打破し、テラヘルツ・センシング、イメージング、無線通信への応用をさらに促進するものです。
