本发明专利技术涉及一种基于树枝状结构的红外波段超材料，具体来说涉及一种由金属铜树枝状结构和金属银颗粒薄膜组合而成的平板夹心型超材料，组成该超材料的金属铜树枝状结构和银颗粒薄膜均采用化学电沉积的方法制得。本发明专利技术利用包含有六边形开口谐振环结构的准周期金属铜树枝状结构实现了红外波段的磁谐振响应，金属银颗粒薄膜在相应的红外波段实现负介电常数，使得由二者组合而成的超材料在该红外波段显示出左手材料特征响应。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于树枝状结构的红外波段超材料，特别涉及一种由金属铜树枝状结构 和金属银颗粒薄膜组合而成的平板夹心型超材料，该超材料可以在红外波段实现左手特征响 应与平面聚焦效应。
技术介绍
左手材料(Left-handed Metamaterials， LHMs)因为其独特的电磁响应特性近年来受到了 科学家们的广泛关注。在过去的十年多的时间里，左手材料己经从基本理论的提出发展到为 波段左手材料的实现以及红外及可见光波段左手材料的尝试性研究。然而，到目前为止所有 的研究均是基于周期性结构的来实现的，很少有采用非周期性结构实现左手特性的文献报道。 因此，科学家面临的问题是这种独特的现象是否只能依靠周期性结构来实现。特别是当左手 材料的研究进入近红外及可见光波段时，这一点问题将会显得尤为重要，因为不管采用物理 刻蚀还是化学方法，要制备具有纳米尺寸的作为左手材料构成部分的周期性开口谐振环 (SRRs)结构将变得异常困难。最近，新的研究结果表明采用非周期性的轮廓线可以实现微波段的负折射现象，而且负 磁导率也可以通过外加电磁场所激发的等离子体谐振产生。我们的研究小组提出了一种用以 实现负磁导率的准周期树枝状结构模型，并且理论研究结果已经证实这种由开口六边形结构 组成的准周期树枝状结构可以实现类似开口谐振环的磁谐振响应。同时，实验研究也已经证 实这种树枝状结构以及由这种树枝状结构和金属杆阵列组成的超材料可以实现微波段的负磁 导率和亚波长成像。进一步的实验研究也已经证实采用化学电沉积的方法制备的金属树枝状 结构能够实现红外波段的负磁导率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于树枝状结构的超材料，它由附着在玻璃基片上的金属铜树 枝状单元和金属银颗粒薄膜组成平板夹心型结构。其中金属树枝状结构材料在红外波段会产生类似于左手材料中开口谐振环的磁谐振响应，金属银颗粒薄膜可以实现负的介电常数。这 种基于树枝状结构的红外波段超材料可产生类似于传统左手材料的左手透射特性，并且实现 红外波段的平面聚焦效应。本专利技术中的基于树枝状结构的超材料，其中用于实现红外波段负磁导率的铜树枝状结构 和用于实现负介电常数的银颗粒薄膜均采用化学电沉积的方法进行制备。其中铜树枝状结构 材料制备中，可以通过调节化学电沉积过程中的参数，如电解液的浓度，沉积温度和时间， 生长电极的尺寸，以及电压等，对所制得的树枝状结构参数进行有效的调节，从而实现不同 波长的磁谐振响应；而通过调节金属银颗粒薄膜过程中的各种电沉积参数可以在一个较宽的 波长范围内实现负的介电常数，使得所制备的树枝状结构的谐振波长正好落入该波长范围内， 从而实现二者组合后所制备的超材料的左手特性。附图说明图1铜树枝状结构的光学及扫描电镜照片图2铜树枝状结构和银颗粒薄膜以及由二者组合而成的超材料的红外透射谱线 图3铜树枝状结构与银颗粒薄膜组合而成的平板夹心型超材料 图4基于树枝状结构材料平板透镜聚焦实验装置 图5基于树枝状结构材料的平面聚焦实验结果具体实施例方式1. 电解液的制备铜树枝状结构的制备采用硫酸铜与硫酸的混合溶液，分别称取不同质 量的CuSCV5H20和浓H2S04溶于一定量的水中，充分搅拌溶解，得一蓝色透明溶液待用； 银颗粒薄膜的制备采用硝酸银与聚乙二醇-400 (PEG-400)的混合溶液，分别称取不同量的 L18mMAgNO3和PEG-400:H2O-l:9(v/v)溶于一定量的水中，充分搅拌溶解，得一无色透明溶 液待用。2. 电极的制备铜树枝状结构的制备过程中阳极为传统的环形铜电极，根据实验中所用 的培养皿的内径的大小使用不同直径的环形铜电极，阴极采用直径为5nm的碳纤维，其制备 过程为，在光学显微镜下从一束碳纤维中取出一根直径5tim的碳纤维作为电沉积的阴极点； 银颗粒薄膜的制备过程中阳极为金属银平板电极，阴极为厚度为1.0證，长2.0cm，宽1.0cm 的ITO导电玻璃。3. 基于树枝状结构的超材料的制备将所制备的金属铜树枝状结构叠加在金属银颗粒薄 膜之上即可得一种基于树枝状结构的平板夹心型超材料，其中心玻璃基板厚度为220nm， 一侧金属树枝状结构厚度为200~300nm，直径l~5mm，另一侧金属颗粒薄膜的厚度为40~60nm, 长度l~5mm， 宽度lmm。4.平面聚焦实验装置平面聚焦实验装置主要由红外发射器，频率范围0.8nm~3.0pm， 红外接收器，频率范围0.8~2.8pm，样品支架，两个最小步进为5.(Vm的三维定位器以及基 地组成，其中三维定位器的主要作用是保证红外光源、样品和红外接收器处于同一水平面上， 并且可以在聚焦点附近的三维方向上测试透过光线的强度。本专利技术的实现过程和材料的性能由实施例和附图说明实施例一所用电解液为0.1M CuSCV5H20和1.0M H2SCU的混合溶液，将电解液加入 电解池中，使得所加入的电解液的量以刚好覆盖置于电解池中的盖波片为限，阳极为环形铜 电极，阴极为碳纤维电极。调节直流稳压电源的电压为10V，接通回路开始电沉积，回路中 的电流在1.0mA左右。控制电沉积的时间2小时，得到有效尺寸为4.0mm的铜树枝状结构材 料。样品的光学显微照片与扫描电镜照片如附图1所示。样品的红外透射谱测量在 FT/IR470Plus傅立叶变换红外光谱仪(光斑直径为4.0mm)上进行，测量结果见附图2 a。实施例二所用电解液为1.18mMAgN03和PEG-400:H2Ol:9(v/v)的混合溶液，将电解 液加入电解池中，并将金属银片阳极和切割好的ITO导电玻璃插入电极池中，使得ITO导电 玻璃的导电面和金属银片严格对应，其间距保持在5.0cm左右。整个电沉积系统置于冰水浴 中，从而保持电解池中的电解液的温度在整个电沉积的过程中不高于5'C，并且在整个电沉 积的过程中使用磁力搅拌器均匀搅拌电解液。调解直流稳压电源的电压为1.5V，接通回路开 始电沉积，回路中的电流在0.6mA左右。控制电沉积的时间在30min左右，制得金属银颗粒 薄膜。样品的红外透射谱测量在FT/IR-470Plus傅立叶变换红外光谱仪(光斑直径为4.0mm) 上进行，测量结果见附图2b。实施例三将所制备的金属铜树枝状结构叠加在金属银颗粒薄膜之上即可得如附图3所 示一种基于树枝状结构的平板夹心型超材料，其中心基板厚度为220nm，金属树枝状结构厚 度为20(K300nm，直径1 5mrn，金属颗粒薄膜的厚度为40 60nrn,长度和宽度均为l~5mm。 并采用FT/IR~470Plus傅立叶变换红外光谱仪测量其红外透射行为，测量结果见附图2c。实施例四将基于树枝状结构的超材料置于附图4所示的平面聚焦实验装置中，使得光 源与超材料的表面之间的距离控制在2.15mm，红外测量探头的表面紧贴超材料的另一面，首 先沿Z方向以5.(Hmi的间隔连续扫描，确定光强最大值点，然后以该光强最大值点为中心，在Y、 Z方向上以5.0pm的间隔连续扫描，以所获得的光强值与Y、 Z轴方向的距离作图， 即可得光源经过平板透镜聚焦后的像点如附图5a所示。以相同的方法可得光源经含有树枝状 结构的超材料后在X、 Y轴方向上的光强分布见图5b、 c所示。权利要求1. 一种基于树枝状结构的红外波段超材料，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于树枝状结构的红外波段超材料，该超材料是由金属铜树枝状结构和金属银颗粒薄膜组合而成，其主要特征是：通过调节金属铜树枝状结构各分支的长度、宽度和厚度，以及组成金属银颗粒薄膜的厚度使得该超材料在红外波段表现出左手材料特征响应。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓鹏，刘辉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]
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