近日，西南交通大学材料科学与工程学院李琦教授团队论文“Modulation of terahertz properties of 3D ceramic photonic crystals via post-creation non-metal anion doping treatment”（Journal of the American Ceramic Society 2019, 102, 4688）入选2019年美国陶瓷学会会刊最佳论文。颁奖仪式将在MS&T 2020会议期间举行的美国陶瓷学会会刊颁奖会（Journal of the American Ceramic Society Awards Symposium）上进行。应美国陶瓷学会会刊主编William G. Fahrenholtz教授邀请，李琦教授将在会议上就3D打印制备太赫兹光子晶体做专题学术报告。
太赫兹光子晶体器件是太赫兹技术中重要的功能器件。其太赫兹性能主要受结构参数和材料本身的介电性质影响。在制备过程中，通过设计不同的结构参数或选用不同的材料，能够得到不同太赫兹性能的光子晶体。在多数情况下，已成型的太赫兹光子晶体结构与材料固定，其性能往往难以改变。发展能够调控太赫兹光子晶体太赫兹性能的方法与能够对热场、力场、电场、磁场等外界刺激实时响应的太赫兹光子晶体，在探测、传感、控制等诸多技术领域更具有应用价值。
近年来，材料科学与工程学院李琦教授研究团队在无模直写3D打印技术方向进行了系列研究，制备出多种三维太赫兹光子晶体器件，实现了对其太赫兹性能的调控。例如，通过非金属离子掺杂，成功在TiO2三维太赫兹光子晶体成型后改变其太赫兹响应性能。通过钛酸钡（BaTiO3）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合制备出柔性太赫兹波光子晶体，不仅可以通过浆料成分配比与三维几何构造等参数来调对太赫兹波的响应，其结构柔性的特点使其响应特性可以通过施加力场（如拉伸、扭转等）来进行调制，成功突破了现有太赫兹波光子晶体一旦成型其光学特性就无法改变的局限，为可变太赫兹波光学窗口方向的研究提供了新的思路。基于铁粉与PDMS复合形成的Fe/PDMS浆料，3D打印制备出可以通过外加磁场变化进行结构调控的三维太赫兹波光子晶体，无需直接接触就可以实现外磁场调控三维太赫兹波光子晶体的响应。
利用相变材料二氧化钒（VO2）与PDMS复合，3D打印出VO2/PDMS三维太赫兹光子晶体；在受到外界热场刺激达到相变临界温度时（~ 68 oC）时，VO2能够在皮秒量级迅速发生绝缘-金属相转变，其介电常数、反射率和电导率等物理性质随之发生数量级的巨大变化，在不改变其结构参数情况下，VO2/PDMS三维太赫兹光子晶体产生可逆的热场响应太赫兹性能。通过在三维微流体器件中导入具有不同介电常数、反射率和电导率等物理性质的填充流体，实现对三维太赫兹波光子晶体太赫兹性能的实时原位调控，简化了三维金属太赫兹光子晶体制备方法，还可以应用于实时无损生物、化学反应太赫兹探测。与通过改变结构参数来调控太赫兹光子晶体性能方式相比，这些无需结构改变就可以实时调控太赫兹相应性能的三维太赫兹光子晶体更容易与其它太赫兹器件实现集成，有望应用于太赫兹前沿技术领域。
相关系列研究结果发表于Advanced Optical Materials 2017, 5, 1600977；Journal of the American Ceramic Society 2018, 101, 1967；Materials & Design 2018, 144, 304；ACS Applied Materials & Interfaces 2018, 10, 36435；Journal of the American Ceramic Society 2019, 102, 4688；Journal of Materials Chemistry C 2019, 7, 8185；ACS Applied Materials & Interfaces 2019, 11, 41611。
图1 碳、氮非金属离子掺杂TiO2三维太赫兹光子晶体后其太赫兹响应性能的改变。
图2 柔性三维太赫兹光子晶体在外加力场下太赫兹响应变化示意图。
图3 VO2/PDMS三维太赫兹光子晶体在相变前后太赫兹响应性能变化示意图（Journal of Materials Chemistry C杂志封二）。
图4 三维微流体器件中导入具有不同介电常数、反射率和电导率等物理性质的填充流体对其太赫兹性能的实时原位调控示意图。