專利名稱：具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料及其制造方法
具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，尤其涉及ー種具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料及其制造方法。背景技木超材料是指ー些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過(guò)在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制， 從而或得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來(lái)自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此為設(shè)計(jì)和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。 超材料一般由金屬微結(jié)構(gòu)在介質(zhì)材料表面陣列排列而成，通過(guò)調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和排列規(guī)律，來(lái)實(shí)現(xiàn)材料整體對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)形成特殊響應(yīng)，如匯聚、發(fā)散、偏折等效應(yīng)。在微波射頻波段(波長(zhǎng)在厘米至毫米量級(jí))，超材料的微結(jié)構(gòu)一般在平行于板平面內(nèi)，通過(guò)蝕刻的方法形成；或者是由多個(gè)表面負(fù)載有微結(jié)構(gòu)的平面介電材料層壓疊加形成。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于在垂直于板平面方向上的電磁場(chǎng)有很好的響應(yīng)，但是電磁波傳輸方向偏離，會(huì)給超材料的性能帶來(lái)很大的影響。因此，需要ー種超材料結(jié)構(gòu)，從任意ー個(gè)方向，對(duì)于電磁波都有較強(qiáng)的響應(yīng)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供ー種具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料以及制造方法，這種具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料克服了傳統(tǒng)的ニ維微結(jié)構(gòu)超材料只能響應(yīng)特定方向的電磁波的局限，能夠從任意的方向?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行響應(yīng)，極大地改善了超材料的性能。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，ー種具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料的制造方法，包括以下步驟在第一基板平面上，以接觸方式設(shè)置有與所述第一基板平面垂直的第一微結(jié)構(gòu)陣列；通過(guò)在第一基板平面上布置基板材料以形成基板，所述基板材料把所述第一微結(jié)構(gòu)陣列封裝在所述基板內(nèi)部；在所述基板的所述第一基板平面上和與所述第一基板平面的平行的第二基板平面上形成第二微結(jié)構(gòu)陣列。優(yōu)選地，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)第一微結(jié)構(gòu)，具有分別在第一方向和第二方向上延伸的部分，所述第一方向和所述第二方向在空間上垂直相交。優(yōu)選地，所述形成第二微結(jié)構(gòu)陣列的步驟進(jìn)一歩包括，在所述第一基本表面和所述第二基板表面上分別沉積一層導(dǎo)電膜并對(duì)該導(dǎo)電膜進(jìn)行處理以得到所述第二微結(jié)構(gòu)陣列。優(yōu)選地，所述導(dǎo)電膜是金屬膜。 優(yōu)選地，對(duì)所述導(dǎo)電膜進(jìn)行處理以得到所述第二微結(jié)構(gòu)陣列。優(yōu)選地，所述處理包括蝕刻、光刻、離子刻、電子刻、3D激光塑形、機(jī)械精加工或者 ^11燭。優(yōu)選地，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列的形成采用沖模或者注模的ェ藝。
優(yōu)選地，所述基板材料是陶瓷或者高分子材料。根據(jù)本發(fā)明的另ー個(gè)方面，本發(fā)明提供了ー種具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料，包括第一基板平面，所述第一基板平面上附著有與其垂直的第一微結(jié)構(gòu)陣列，且所述第一基板平面上形成有第二微結(jié)構(gòu)陣列；第二基板平面，所述第二基板平面上形成有第二微結(jié)構(gòu)陣列； 其中，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列密封于所述第一基板平面和所述第二基板平面之間。優(yōu)選地，所述第一基板平面和所述第二基板平面之間的密封材料是陶瓷或者高分子材料。本發(fā)明的有益效果是，根據(jù)本發(fā)明的制造方法，能夠制造一種在三維空間內(nèi)均有微結(jié)構(gòu)単元的超材料，該具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料在任意方向?qū)﹄姶挪ň休^強(qiáng)的響應(yīng)， 極大地改善了超材料的性能，可廣泛地應(yīng)用在航空航天、機(jī)械、物理、化學(xué)、電絕緣以及軍事等領(lǐng)域。

圖Ia-圖Id是制造根據(jù)本發(fā)明的具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料的過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。在詳細(xì)解釋本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明在其應(yīng)用方面不限定于在以下說(shuō)明中提出的或者以下附圖中示出的構(gòu)造的細(xì)節(jié)和部件的布置。 本發(fā)明還可以有其他實(shí)施例并且還能夠以各種方式被實(shí)施或者實(shí)現(xiàn)。同樣地，應(yīng)當(dāng)理解這里使用的措辭和術(shù)語(yǔ)旨在說(shuō)明并且不應(yīng)被看作限定圖Ia-圖Id示出了制造具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料的過(guò)程。如圖Ia所示，平面110是超材料基板成品的ー個(gè)底平面，下文稱作第一基板平面 110。具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料是以第一基板平面110為基礎(chǔ)構(gòu)造起來(lái)的。一般地，可以通過(guò)向該平面澆注基板材料而形成基板。傳統(tǒng)的制造エ藝，僅僅是在第一基板平面110以及與其相對(duì)且相平行的另ー個(gè)基板平面上布置導(dǎo)電薄膜并且對(duì)該導(dǎo)電膜進(jìn)行蝕刻或者燒蝕而得到微結(jié)構(gòu)。這樣得到超材料在與第一基板平面110相垂直的方向上具有良好的電磁響應(yīng)性能。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，首先，在第一基板平面110上，垂直向上地形成第 ー微結(jié)構(gòu)陣列120。第一微結(jié)構(gòu)陣列120可通過(guò)沖?；蜃⒛５姆绞叫纬?。該過(guò)程完成之后， 第一微結(jié)構(gòu)陣列120以附著的方式垂直地豎立在第一基板平面110上。根據(jù)本發(fā)明的另ー個(gè)實(shí)施例，第一微結(jié)構(gòu)陣列120中的每個(gè)第一微結(jié)構(gòu)進(jìn)ー步包括兩個(gè)部分。其中第一部分垂直地豎立在第一基板平面110上。該部分使得超材料在與第一部分垂直的方向上具有良好的電磁響應(yīng)特性。第一部分一端與第一基板平面110相接觸，而另一端則與第二部分垂直接觸。并且，第二部分與第一基板平面110異面垂直。這樣的設(shè)置，使得第二部分在與其垂直的方向上具有良好的電磁響應(yīng)特性。至此，根據(jù)本發(fā)明的第一微結(jié)構(gòu)陣列的布置使得超材料具有多方向的電磁響應(yīng)特性。第一微結(jié)構(gòu)陣列可以由金屬材料制成，或者由其它導(dǎo)電材料制成。按照這種方式形成的第一微結(jié)構(gòu)陣列，使得超材料成品至少可以在與第一基板平面110相平行的方向上具有良好的電磁響應(yīng)性能。在形成第一微結(jié)構(gòu)陣列120以后，如圖Ib所示，向第一基板平面110上注入基板材料以形成長(zhǎng)方體狀基板130，以將第一微結(jié)構(gòu)陣列120全部封裝在基板130內(nèi)。該基板材料可以是陶瓷材料，也可以是高分子材料。需要注意的是，在封裝的過(guò)程中，所有的第一微結(jié)構(gòu)陣列120都必須被封裝在基板130內(nèi)，以使得其性能更可靠更持久。之后，在基板130的上表面和下表面，即第一基板平面110和第二基板平面140上分別沉積一層導(dǎo)電膜，該導(dǎo)電膜可以是金屬膜，比如銅、銀、金等金屬。該過(guò)程由圖Ic示出。最后，通過(guò)蝕刻、燒蝕等方法對(duì)該導(dǎo)電膜進(jìn)行處理，以第一基板平面110和第二基板平面140上分別形成第二微結(jié)構(gòu)陣列160和170。至此，通過(guò)上述方法和過(guò)程，得到了具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料。該超材料由于具有三維微結(jié)構(gòu)，從而在空間上具有多方向的優(yōu)良的電磁響應(yīng)特性。需要理解的是，不需要一定在如附圖所示的方向上設(shè)置第一與第二微結(jié)構(gòu)陣列， 可以根據(jù)實(shí)際需要靈活地設(shè)置第一微結(jié)構(gòu)陣列和第二微結(jié)構(gòu)陣列的每個(gè)部分的方向和數(shù)量，使其在所需的方向上具有良好的電磁響應(yīng)特性。本實(shí)施方式如上所述地被公開，雖然使用了專用的術(shù)語(yǔ)，但它們應(yīng)被解釋為一般的并只用于描述定義且目的不在于限制。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該可以理解，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的主旨的范圍內(nèi)可進(jìn)行各種形式與細(xì)節(jié)上的變更。
權(quán)利要求
1.ー種具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料的制造方法，包括以下步驟在第一基板平面上，以接觸方式設(shè)置有與所述第一基板平面垂直的第一微結(jié)構(gòu)陣列；通過(guò)在所述第一基板平面上布置基板材料以形成基板，所述基板材料把所述第一微結(jié)構(gòu)陣列封裝在所述基板內(nèi)部；在所述第一基板平面上和與所述第一基板平面的平行的第二基板平面上形成第二微結(jié)構(gòu)陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，所述形成第二微結(jié)構(gòu)陣列的步驟進(jìn)一歩包括，在所述第一基板表面和所述第二基板表面上分別沉積一層導(dǎo)電膜并對(duì)該導(dǎo)電膜進(jìn)行處理以得到所述第二微結(jié)構(gòu)陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在干，所述導(dǎo)電膜是金屬膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，對(duì)所述導(dǎo)電膜進(jìn)行處理以得到所述第二微結(jié)構(gòu)陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在干，所述處理包括蝕刻、光刻、離子刻、電子刻、3D激光塑形、機(jī)械精加工或者燒蝕。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用沖模或者注模的エ藝形成所述第一微結(jié)構(gòu)陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，所述基板材料是陶瓷或者高分子材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)第一微結(jié)構(gòu)，具有分別在第一方向和第二方向上延伸的部分，所述第一方向和所述第二方向在空間上垂直相交。
9.ー種具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料，包括基板，所述基板具有第一基板平面和第二基板平面，其特征在干，所述第一基板平面上附著有與其垂直的第一微結(jié)構(gòu)陣列，且所述第一基板平面上和所述第二基板平面上均形成有第二微結(jié)構(gòu)陣列，其中，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列封裝于所述第一基板平面和所述第二基板平面之間的基板材料中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超材料，其特征在干，所述第一微結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)第一微結(jié)構(gòu)，具有分別在第一方向和第二方向上延伸的部分，所述第一方向和所述第二方向在空間上垂直相交。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料以及制造方法。所述方法包括以下步驟在第一基板平面上形成與所述第一基板平面垂直的第一微結(jié)構(gòu)陣列；通過(guò)在第一基板平面上布置基板材料以形成基板，所述基板材料把所述第一微結(jié)構(gòu)陣列封裝在所述基板內(nèi)部；在所述第一基板平面和與所述第一基板平面的平行的第二基板平面上形成第二微結(jié)構(gòu)陣列。根據(jù)本發(fā)明的方法制造得到的具有三維微結(jié)構(gòu)的超材料，克服了傳統(tǒng)的二維微結(jié)構(gòu)超材料只能響應(yīng)特定方向的電磁波的局限，能夠從任意的方向?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行響應(yīng)，極大地改善了超材料的性能，可廣泛地應(yīng)用在航空航天、機(jī)械、物理、化學(xué)、電絕緣以及軍事等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102570048SQ201110439968
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者劉若鵬, 李雪, 趙治亞, 金曦 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院