專利名稱：一種透明人工電磁材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透明人工電磁材料，如圖I所示，包括至少一個(gè)材料片層1，當(dāng)材料片層I有多個(gè)時(shí)，其沿垂直于表面的X方向疊加成一體。材料片層I包括均勻等厚的片狀基板3和附著在片狀基板3上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)4。將片狀基板3虛擬地劃分為多個(gè)完全相同的方體形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格為一個(gè)基板單元30，并使得每個(gè)基板單元30上附著有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)4，則每個(gè)基板單元30及其上附著的人造微結(jié)構(gòu)4共同構(gòu)成一個(gè)材料單元2，整個(gè)材料片層I可以看作是由多個(gè)材料單元2以第z方向?yàn)樾?、以y方向?yàn)榱薪M成的第一陣列。這里的方體形網(wǎng)格，可以具有任意自由劃分的尺寸，本發(fā)明中優(yōu)選為y、z方向的長(zhǎng)度均為將要響應(yīng)的電磁波的波長(zhǎng)的十分之一、X方向的長(zhǎng)度與片狀基板3的X方向的厚度相等，因此附著在基材單元上的人造微結(jié)構(gòu)尺寸要小于入射電磁波的波長(zhǎng)的十分之一。當(dāng)然，本發(fā)明的材料單元其X、I、Z方向的長(zhǎng)度在電磁波波長(zhǎng)的五分之一至二分之一之間均可。材料單元2的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括一個(gè)基板單元30和附著在該基板單元30表面上的人造微結(jié)構(gòu)4。人造微結(jié)構(gòu)4為具有一定幾何圖案的薄膜，例如本實(shí)施例中，人造微結(jié)構(gòu)4為平面的“工”字形，包括直線型的第一直線和分別垂直連接在第一直線兩端的兩根第二直線。人造微結(jié)構(gòu)4也可以為其他形狀，如平面的二維雪花型，其包括兩個(gè)相互垂直相交成“十”字形的第一直線和分別垂直連接在每個(gè)第一直線兩端的四根第二直線。人造微結(jié)構(gòu)4也可以為立體的三維雪花型，包括三個(gè)兩兩垂直且相交到一點(diǎn)的第一直線和分別垂直連接在每個(gè)第一直線兩端的六根第二直線。立體的人造微結(jié)構(gòu)4是通過(guò)一定的加工工藝附著到基板3內(nèi)部的。當(dāng)然，本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)4還有多種實(shí)現(xiàn)方式，只要由能夠?qū)﹄姶艌?chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)的材質(zhì)所做的薄膜絲線構(gòu)成的具有一定幾何圖形從而對(duì)電磁場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)即改變電磁場(chǎng)特性的結(jié)構(gòu)，均可作為本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)4附著在基板3表面上或者嵌入基板3內(nèi)部從而形成本發(fā)明的材料單元2。每個(gè)基板單元30及其上的人造微結(jié)構(gòu)4共同決定了它們所構(gòu)成的材料單元2的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，根據(jù)公式《 = #可知，已知介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，即可得到折射率n，而折射率大小表示對(duì)電磁波傳播方向的影響程度。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)各個(gè)人造微結(jié)構(gòu)4的形狀、大小等，改變各個(gè)材料單元2的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，進(jìn)而得到特定的折射率分布，即可實(shí)現(xiàn)電磁波的偏折、匯聚、發(fā)散等?，F(xiàn)有的人工電磁材料，其人造微結(jié)構(gòu)4通常選用銀、銅等材質(zhì)的有色金屬，因?yàn)殂y、銅等金屬為良好導(dǎo)體，在其金屬結(jié)構(gòu)表面形成表面等離子體效應(yīng)，良好導(dǎo)體能夠盡可能的激發(fā)和增強(qiáng)這種效應(yīng)，從而對(duì)電磁波的響應(yīng)更靈敏、效果更強(qiáng)。
基板3則需要選那些對(duì)電磁波沒(méi)有響應(yīng)、不影響電磁波或者影響盡量小的材料，即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率必須盡量接近于1，現(xiàn)有的人工電磁材料通常選用陶瓷作為基板材料。在人造微結(jié)構(gòu)4和基板單元30的共同作用下，人工電磁材料在電磁特性方面體現(xiàn)出了一般自然界材料沒(méi)有的特性，如負(fù)折射率材料，波束匯聚，波束偏轉(zhuǎn)，波束平行等特性。并且由這些物理特性，延展出很多新的應(yīng)用，如通信，光學(xué)，器件小型化，探測(cè)等領(lǐng)域。但是，由于人造微結(jié)構(gòu)4和基板3均為不透明材料，因此現(xiàn)有人工電磁材料主要應(yīng)用于微波波段，對(duì)可見(jiàn)光不能產(chǎn)生作用。本文所述的透明，是指透光度達(dá)到80%以上。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)之一在于，選用透明材料作為基板3，例如透明有機(jī)高分子材料等。優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的基板3選用透明有機(jī)玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯，英文簡(jiǎn)稱PMMA。可用作基板3的其他透明有機(jī)高分子材料還可以是透明聚氨酯、聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)等等。

這些材料的介電常數(shù)均不高，選在I 5之間，而磁導(dǎo)率基本上都為1，符合作為基板3的前提要求。同時(shí)，這些材料通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的制造工藝，都可實(shí)現(xiàn)透明或半透明，使得可見(jiàn)光透過(guò)。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)之二在于，進(jìn)一步地，人造微結(jié)構(gòu)4也選用透明或半透明材料，本發(fā)明選用摻鋁氧化鋅薄膜。摻鋁氧化鋅(縮寫為ΖΑ0)薄膜，是ZnO體系中摻雜元素Al而得來(lái)的。ZnO薄膜具有C軸擇優(yōu)生長(zhǎng)的眾多晶粒，每個(gè)晶粒都是呈生長(zhǎng)良好的六角形鉛鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO晶體是氧的六角密堆積和鋅的六角密堆積反向嵌套而成的。這種結(jié)構(gòu)的薄膜具有透明導(dǎo)電性，但電阻值高。在ZnO中摻雜Al之后，可以形成ZAO薄膜，電阻率大大降低，因而具有很好的導(dǎo)電性能，同時(shí)薄膜的穩(wěn)定性也大大提高。摻鋁氧化鋅薄膜在厚度通常在50 IOOOnm之間，為透明無(wú)色，透光率可達(dá)90%。由于具有良好的電學(xué)傳導(dǎo)性，因此可以作為導(dǎo)電薄膜來(lái)替代銀、銅來(lái)制造人造微結(jié)構(gòu)以便對(duì)電磁波產(chǎn)生響應(yīng)，同時(shí)，良好的透光性可將人工電磁材料的應(yīng)用由微波領(lǐng)域拓寬至可見(jiàn)光。在制造人工電磁材料時(shí)，先制得由透明有機(jī)玻璃等高分子材料制成的基板3，在基板3上附上一層保護(hù)膜，且保護(hù)膜上開(kāi)有形狀與人造微結(jié)構(gòu)相同的鏤孔，用蒸鍍法將ZAO沉積到保護(hù)膜上，且鏤孔部分的ZAO將直接附著在基板3上，然后揭去保護(hù)膜，即可得到附著有ZAO薄膜的人造微結(jié)構(gòu)的基板，也即制得一個(gè)材料片層I，最后將多個(gè)材料片層I封裝成為一塊完整的人工電磁材料。當(dāng)然，本發(fā)明的摻鋁氧化鋅薄膜也可以是通過(guò)其他方式附著到基材3上形成人造微結(jié)構(gòu)4，現(xiàn)有技術(shù)的制備摻鋁氧化鋅薄膜的方法均可用在本發(fā)明中，用以制備摻鋁氧化鋅的人造微結(jié)構(gòu)。由于基板3和人造微結(jié)構(gòu)4均為透明材料，因此這樣的人工電磁材料可用于可見(jiàn)光領(lǐng)域，極大的拓展了人工電磁材料的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，有著重要的科研價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)透明人工合成材料，如圖I、圖3所示，沿X方向和y方向的每一列人造微結(jié)構(gòu)均相同，而沿z方向的每一列人造微結(jié)構(gòu)其形狀幾何相似，而尺寸逐漸減小，使得折射率沿X、y方向不變，而沿z方向的折射率逐漸減小。滿足這樣的折射率分布的材料片層I即可實(shí)現(xiàn)電磁波的偏折，如圖3所示，從折射率小的地方入射到透明人工合成材料中的電磁波，將向折射率大的地方偏折。當(dāng)然，通過(guò)設(shè)計(jì)各個(gè)材料單元2的人造微結(jié)構(gòu)4，可實(shí)現(xiàn)各種折射率分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)普通人工電磁材料所能實(shí)現(xiàn)的電磁波偏折、發(fā)散等其他功能。但本發(fā)明由于采用透明的基板3和人造微結(jié)構(gòu)4，將電磁波由微波波段拓寬到可見(jiàn)光頻段，是一次革命性的進(jìn)步，有利于替代傳統(tǒng)的光學(xué)元件如凸透鏡、凹面鏡等，而本發(fā)明的材料片層I均為平面板，無(wú)需特別設(shè)計(jì)凸面或凹面等復(fù)雜曲面，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和加工過(guò)程，能夠有效降低設(shè)計(jì)、制造成本。因此，上面結(jié)合附圖
對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述 的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種透明人工電磁材料，包括至少一個(gè)材料片層，每個(gè)材料片層包括片狀基板和附著在所述基板上的人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述基板由透明材料制成，所述人造微結(jié)構(gòu)為具有幾何圖案的摻鋁氧化鋅薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透明人工電磁材料，其特征在于，所述摻鋁氧化鋅薄膜的透光率大于80%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透明人工電磁材料，其特征在于，所述摻鋁氧化鋅薄膜的厚度在50 IOOOnm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透明人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的幾何圖案為“工”字形。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透明人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的幾何圖案為二維雪花型或三維雪花型。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透明人工電磁材料，其特征在于，所述基板為透明高分子材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的透明人工電磁材料，其特征在于，所述基板為聚甲基丙烯酸甲酯。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的透明人工電磁材料，其特征在于，所述基板為透明聚氨酯、聚乙烯。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的透明人工電磁材料，其特征在于，所述基板為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透明人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的尺寸小于將要響應(yīng)的入射電磁波的波長(zhǎng)的十分之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種透明人工電磁材料，包括至少一個(gè)材料片層，每個(gè)材料片層包括片狀基板和附著在所述基板上的人造微結(jié)構(gòu)，所述基板由透明材料制成，所述人造微結(jié)構(gòu)為具有幾何圖案的摻鋁氧化鋅薄膜?；暹x用透明材料，而作為人造微結(jié)構(gòu)的摻鋁氧化鋅薄膜透明的同時(shí)還具有優(yōu)良的電導(dǎo)性，因此能夠?qū)梢?jiàn)光產(chǎn)生響應(yīng)，從而引起可見(jiàn)光匯聚、發(fā)散、偏折等，從而將人工電磁材料的應(yīng)用范圍從微波拓寬到可見(jiàn)光領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01F1/00GK102890992SQ20111012004
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 寇超峰, 許毓欽 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司