摘要
等离子体处理ABS管提升了ABS/Ag镀层太赫兹空芯波导的性能。胶带法测试结果表明，等离子体处理后，银镀层的附着力由5级提升至2级。等离子体处理后的ABS管内表面银层的均匀性和致密度更高，高质量的银层有利于降低波导的损耗。未经等离子体处理的4.2 mm内径的ABS/Ag镀层空芯波导在0.3 THz和0.1 THz时的直线损耗分别为0.72 dB/m和1.47 dB/m，等离子体处理后其损耗分别降至0.70 dB/m和1.44 dB/m，且波导能够在冷热环境中稳定传输太赫兹波。等离子体处理后的样品在超过200小时的湿热老化和16次的高低温循环老化试验后直线损耗升高小于0.1 dB/m，而未经等离子体处理的样品的损耗升高大于1 dB/m。研究结果表明，等离子体处理后的ABS/Ag镀层太赫兹空芯波导损耗更低、传输可靠性更高、耐老化性更好，可用于构建下一代通信、传感及太赫兹成像系统等。
太赫兹波的传输是太赫兹科学与技术领域的重要研究方向之一。相比于无线传输，借助波导结构能够实现太赫兹波的低损耗、稳定及定向传
近年来，聚碳酸酯（Polycarbonate，PC
本研究采用等离子体对ABS管表面进行处理以改善ABS与银层间的界面结合状态。分别使用经过和未经过等离子体处理的ABS管作为结构管制备了不同内径的ABS/Ag镀层太赫兹空芯波导，并对其界面结合性能、金属层微观形貌及波导的传输性能进行了探究。胶带法测试结果表明，等离子体处理使得ABS与银层间的界面结合强度由5级提升至2级。光学及电子显微镜分析表明，等离子体处理使镀制的银反射层更加致密且均匀性更高，使波导具有较低的传输损耗。经过等离子体处理的ABS/Ag镀层太赫兹空芯波导在热环境（65 ℃）和低温环境（-78.5 ℃）中能稳定地传输太赫兹波（输出功率波动小于1%）。此外，使用恒温恒湿试验箱对波导样品进行湿热老化（85 ℃，85 RH%）处理，未经过等离子体处理的样品在180 h的加速老化处理后传输性能明显下降，而经过等离子体处理的样品在经历200 h的加速老化后传输性能基本不变。实验结果证明，等离子体处理提高了波导的传输可靠性和耐老化性能。
实验中使用两种不同规格市售的ABS塑料管作为结构管制备波导样品，其内径分别为3.2 mm和4.2 mm。波导的制备过程包括对结构管的预处理和动态液相沉积工艺制备Ag镀层两个步骤。对结构管的预处理包括表面清洗及等离子体处理等流程：表面清洗是利用去离子水、乙醇等冲洗结构管表面以去除杂质及油污；等离子体处理是使用等离子体处理机（VP-R，广州善准仪器有限公司）对结构管表面进行处理，所使用的射频频率为13.56 MHz，输出功率为100 W，处理时间5~10 min。结构管完成预处理后采用动态液相沉积工艺制备Ag镀层，其反应原理
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实验中借助蠕动泵向结构管内泵入反应溶液，葡萄糖溶液和银氨溶液均匀混合后在结构管内发生银镜反应生成Ag的单质颗粒，流经结构管时在其内壁上附着生长，最终形成Ag镀层。蠕动泵的流速控制在150 mL/min，镀银时间为15 min以保证所制备Ag镀层的厚度超过所需的趋肤深度。镀银结束后，继续向结构管内泵入去离子水洗涤，再吹入洁净空气干燥3 h，即得到ABS/Ag镀层太赫兹空芯波导样品。为了探究等离子体处理对波导性能的影响，实验中制备了两种不同类型的波导样品，其区别在于一批样品在预处理过程中使用了等离子体处理ABS结构管，另一批样品的ABS结构管则未经等离子体处理，除此之外的制备工艺均相同。最终得到了3.2 mm和4.2 mm两种内径的ABS/Ag镀层太赫兹空芯波导样品，长度均为50 cm。
银层的均匀性和粗糙度是影响波导性能的重要因素，研究中使用光学显微镜（ST-2000L，Siontae）和扫描电子显微镜（S-4800，Hitachi）对样品的表面形貌进行了表征。本研究中，等离子体处理的主要目的在于提高银层与ABS管之间的界面结合强度。为了探究等离子体处理对结构管与金属层之间结合强度的影响，本研究参照ASTM D3359-09《胶带法测试涂层附着力的标准试验方法》对所制备银镀层的附着力进行测试。由于圆波导样品尺寸较小且其剖面为弧形，难以在其表面划格并使用胶带法进行测试，因此通过在ABS平板表面镀银并对比探究等离子体处理对银镀层附着力的影响。实验中所使用的ABS平板材质与波导结构管材质相同，等离子体处理和镀银工艺与制备波导样品一致。参照ASTM D3359-09标准中的试验方法，使用百格刮刀（QFH-A，艾锐普）在银镀层表面进行十字划格，划格后在银镀层表面贴上半透明压敏胶带（Scotch 600，3M），贴上胶带后拿住胶带悬空的一端，尽可能平稳快速地撕离胶带，最终通过计算银镀层剥落的面积对银镀层的附着力进行分级。
实验中使用发散角较小的太赫兹激光器测量了波导的传输损耗，测试系统如
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图1 波导样品的传输损耗测试示意图（插图分别展示了营造高、低温环境的方法）
Fig. 1 Schematic diagram of transmission loss test of waveguide samples （the insert figures show the methods for creating high and low temperature environments respectively）
测量过程中，耦合波导直接从所制备的波导样品上截取得到，其长度为15 cm，波导内径及镀层膜厚等参数与待测波导样品完全一致，测试过程中尽可能使波导对齐以降低耦合损耗。在测量波导的弯曲传输损耗时，波导样品两端各10 cm长度部分保持直线状态，其余部分则以弯曲半径10 cm进行任意角度弯曲。
波导的传输稳定性及其耐老化性能是波导实际应用的重要参数。实验时将样品分别置于硅胶加热带及干冰槽营造的冷热环境中以探究波导在不同温度时的传输稳定性，如
波导样品表面银层的形貌分析结果如
图2 银反射层的微观形貌图：（a）、（c）ABS结构管在沉积银层前经过等离子体处理；（b）、（d）ABS结构管在沉积银层前未经过等离子体处理
Fig. 2 Microscopic morphology of the silver reflective layer： （a）， （c） ABS structural tubes have been plasma treated before depositing the silver layer； （b）， （d） ABS structural tubes have not been plasma treated before depositing the silver layer
胶带法测试ABS与金属层之间结合强度的实验结果如
图3 胶带法测试银镀层结合强度的实验图：（a）、（c）ABS平板在沉积银层之前经过等离子体处理；（b）、（d）ABS平板在沉积银层之前未经过等离子体处理
Fig. 3 Experimental diagram for testing the bonding strength of silver coating by tape test： （a）， （c） ABS panels have been plasma treated before depositing the silver layer； （b）， （d） ABS panels have not been plasma treated before depositing the silver layer
在太赫兹波低频段（0.1 THz和0.3 THz）测试了不同内径的ABS/Ag镀层空芯波导的传输损耗，探究了等离子体处理ABS管对波导传输损耗的影响。对于空芯波导，其传输总损耗αtot可由
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式中，αpq是波导的直线传输损耗，L和r分别代表波导的长度和内半径，R和θ分别是测试过程中的弯曲半径和弯曲角度。如
图4 （a）3.2 mm和4.2 mm内径的波导在0.1 THz时的传输损耗随弯曲角度的变化曲线；（b）3.2 mm和4.2 mm内径的波导在0.3 THz时的传输损耗随弯曲角度的变化曲线
Fig. 4 （a） The bending transmission losses of the 3.2 mm and 4.2 mm- waveguides at 0.1 THz； （b） the bending transmission losses of the 3.2 mm and 4.2 mm- waveguides at 0.3 THz
0.3 THz时，未经过等离子体处理的3.2 mm和4.2 mm内径波导的直线损耗分别为1.02 dB/m和0.72 dB/m，经过等离子体处理后两种波导的直线损耗分别降低至1.01 dB/m和0.70 dB/m。波导的弯曲损耗随着弯曲角度的增加而线性增加，当弯曲角度为90°时，3.2 mm和4.2 mm内径波导的损耗分别上升至1.41 dB/m和0.97 dB/m。在0.1 THz时，未经等离子体处理的3.2 mm和4.2 mm内径波导的损耗在0°到90°弯曲时分别为1.91~4.23 dB/m和1.47~3.13 dB/m，经等离子体处理后的3.2 mm和4.2 mm内径波导的损耗在0°到90°弯曲时分别为1.81~4.21 dB/m和1.44~3.00 dB/m。
将本研究中所制备的ABS/Ag镀层空芯波导与其他太赫兹空芯波导相比较，如
| 类型 | 损耗 （dB/m） | 内直径 （mm） | 参考文献 |
|---|---|---|---|
| COC管波导 | 10（1.1 THz） | 2.8 |
［ |
| Ag/COP | 2.1（0.16 THz） | 2.6 |
［ |
| PC/Ag | 0.80（0.1 THz） | 3/5 |
［ |
| ABS/Cu | 0.85（0.98 THz） | 5.0 |
［ |
| ABS/Ag | 0.70（0.3 THz） | 4.2 | 本工作 |
根据
图5 经过和未经过等离子体处理的两种波导样品在冷热环境中的传输稳定性
Fig. 5 Transmission stability of the two waveguide samples with and without plasma treatment in hot and cold environments
波导样品在冷热环境中的传输稳定性测试表明，经过和未经过等离子体处理的ABS/Ag镀层空芯波导均能在冷热环境中稳定地传输太赫兹波，较宽的温度传输范围拓展了波导的应用场景。值得注意的是，样品处于热环境时波导样品的输出功率略有上升，这可能是由于加热时波导样品内部的水蒸气减少使得太赫兹波的损耗降低。样品处于干冰槽中时波导样品的输出功率略有下降，这可能是由于低温环境时水蒸气凝结在波导的内壁，增大对太赫兹波的吸收使得波导样品的输出功率下降。
结构管与银反射层之间的结合性能是影响金属镀层空芯波导耐老化性能的重要因素。在湿热及高低温变化等环境中，金属层与结构管之间的结合不佳将导致金属层损坏或脱落，影响波导传输的可靠性、降低波导使用的寿命。等离子体处理能够有效地提升ABS管与银反射层之间的结合性能，本文使用恒温恒湿试验箱对波导的耐老化性能进行了探究，实验结果如
图6 （a）波导样品的传输损耗随湿热老化时间的变化曲线；（b）波导样品的传输损耗随高低温循环老化试验次数的变化曲线
Fig. 6 （a） The variation curve of the transmission loss of the waveguide sample with the hydrothermal aging time； （b） the variation curve of the transmission loss of the waveguide sample with the number of high and low temperature cycle aging tests
如
本研究中，银镀层的附着力提升使得所制备的波导在湿热或高低温循环老化实验中金属层更不容易脱落或破裂，从而延长波导的使用寿命、提升其可靠性。本研究的实验结果表明，等离子体处理ABS管的确能够增强波导的耐湿热老化和高低温循环老化的能力，同时基于等离子体处理改性ABS材料表面改善了银镀层的均匀性和致密性，使得损耗没有降低反而略有提升，符合商业化应用对波导的传输稳定性和可靠性所提出的需求。
本文研究了等离子体处理对ABS/Ag镀层太赫兹空芯波导性能的影响。等离子体处理有效地提升了银层与ABS管之间的结合性能，增强了波导的传输可靠性和耐久性。ABS管表面银层的形貌分析结果表明，经过等离子体处理后的银层均匀性更高、粗糙度更小。更好的银层质量使3.2 mm和4.2 mm内径的ABS/Ag镀层空芯波导在0.1 THz`0.1 dB/m和0.03 dB/m，且样品在冷热环境中传输太赫兹波的稳定性高，输出功率波动小于1%。等离子体处理还极大地提高了波导的耐久性，未使用等离子体处理的4.2 mm内径的样品在180 h的湿热老化和13次的高低温循环老化试验后传输损耗明显上升，而经过等离子体处理的波导样品在超200 h的湿热老化和16次的高低温循环老化试验后传输性能基本保持不变。本研究中采用等离子体处理ABS结构管的方法有效地增强了波导的传输可靠性和耐老化性能，所制备的ABS/Ag镀层空芯波导具有柔性好、损耗低、传输可靠性及耐老化性能优异等特性，在太赫兹成像、传感和下一代通信等系统中具有较大的商业化应用前景。
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