一种金属-记忆相变材料复合结构AFSS的变频方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种金属

【技术实现步骤摘要】
一种金属
‑
记忆相变材料复合结构AFSS的变频方法及装置


[0001]本专利技术涉及电磁波传输调制领域和激光加工领域，特别涉及一种金属
‑
记忆相变材料复合结构AFSS的变频方法及装置。

技术介绍

[0002]常规的频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)由周期性排列的金属贴片单元或金属屏上周期性排列的孔径单元构成。其基本电磁特性表现在对于不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波具有选择特性，能够显著减小飞行器的雷达散射截面，有效降低被敌方雷达探测到的概率，因而广泛应用于战机、卫星和舰载雷达天线罩的隐身方面。依据其传输性能可以分为四种基本类型：带通型FSS、带阻型FSS、高通型FSS、低通型FSS。
[0003]频率选择表面可分为被动式频率选择表面(Passive Frequency Selective Surface，PFSS)和主动式频率选择表面(Active Frequency Selective Surface，AFSS)两类。被动式频率选择表面结构固定，制备过程简便，但其谐振频率固定不变，难以灵活适应复杂多变的电磁环境，一旦谐振频率被敌方破译，极易使得隐身功能丢失，增加被探测到的风险。
[0004]为解决PFSS存在的问题，发展出谐振频率可调的主动式频率选择表面技术，通过主动控制激励源来改变FSS谐振单元的结构尺寸和排布方式，实现FSS谐振频点的调谐效果及传输特性的变换功能。目前实现AFSS技术的主流方式是通过引入集总电路元件(PIN/变容二极管)，通过外部施加电信号实现电磁传输特性的调节(如专利CN106571534A、CN112164894B)。然而，在大幅面AFSS的实际应用中需要焊接成千上万个集成电路元件，不但制造精度难以保证，还存在元件损耗大、激励过程需要布线等不足，难以实际应用于AFSS雷达天线罩的制备中。此外，专利技术专利(CN112490677B)公开了一种基于液晶的AFSS调节方法，通过对液晶上下的金属电极施加电压，可以调节液晶的介电常数，从而实现频率选择通带的连续可调。该方案调节操作简单，但难以应用于大面积曲面雷达罩的制备过程，同时频率调控过程需对金属电极施加电压，将对选频特性造成一定影响。
[0005]专利技术专利(CN111987400A)公开了一种基于光敏电阻的光控频率选择表面的调控方法，利用光控变频具有灵敏度高、调节方便的优点，实现谐振频点的调谐，但由于采用集总元件而无法应用于实际的曲面雷达罩。专利技术专利(CN109841958A)公开了一种基于Cl
‑
掺杂CdS光敏薄膜的AFSS解决方案，通过控制外部光照强度的变化来改变光敏薄膜的导电特性，从而使谐振单元尺寸发生改变，实现变频效果。但是该方案在实施过程中需要始终保持光源强度稳定，任何光照强度波动或外界光源干扰均会造成薄膜导电性能波动，引起调谐频率和电磁传输特性波动，导致AFSS无法稳定工作在调谐频率工作范围。尤其是光照消失时其薄膜导电性能迅速下降，导致变频功能失效。而且工作环境温度也会影响薄膜导电性能的稳定，当光控相变材料表面被涂层或灰层覆盖时，将会失去频率调谐功能，进而影响大面积AFSS雷达罩的稳定变频效果。此外，专利中采用的制备工艺无法用于大型复杂曲面的
FSS制备，并且该方法在制备过程的薄膜掺杂阶段和后处理退火阶段都需进行高于600℃的高温处理，对AFSS的基底选择造成极大的限制，无法实现AFSS雷达罩的工程化应用。
[0006]为了解决上述专利技术专利存在的问题，专利技术专利(CN111910154A)公开了一种基于二氧化钒(VO2)薄膜的AFSS解决方案。该方案利用了VO2薄膜材料在达到相变的温度阈值后，晶体结构及光电特性才会发生显著变化的特点，通过控制外部环境温度上升到VO2薄膜材料相变阈值温度，使得谐振单元图案的导电尺寸形状或排列方式发生改变，从而实现变频效果。当外部环境温度低于VO2薄膜材料的相变温度时，VO2薄膜材料的晶体结构及光电特性又会回到初始状态，谐振单元图案的导电尺寸形状或排列方式也回到初始状态，从而实现AFSS功能，该方法优点是变频效果只有在外部温度达到材料的相变阈值温度后才会发生，而外部环境温度在相变阈值温度以上或以下波动时，均不会改变薄膜材料的晶体结构及光电特性。因此，相对Cl
‑
掺杂CdS薄膜，VO2薄膜具有较稳定的调谐频率工作范围。
[0007]但该方案依然存在一些不足之处，首先是外部温度必须保持在VO2薄膜材料相变阈值温度以上，才能稳定工作在变频率的谐振频率。一旦外部温度下降到VO2薄膜材料相变阈值温度以下时，VO2薄膜晶体结构及光电特性又会回到初始状，导致工作的谐振频率又回到原始的频率。因此，VO2薄膜虽具有相变温度阈值，增加了曲面AFSS工作的稳定性，但依然会受到外部温度波动的干扰；其次，VO2薄膜材料制备条件十分苛刻，对涂敷基材的材质和表面粗糙度的要求较高，不同的基材材质和表面粗糙度的涂敷效果有很大的区别，增加了VO2薄膜制备的不稳定性和不一致性；最后在基材表面上制备的VO2薄膜必须在无氧炉中进行高温退火，因而极大限制了曲面AFSS样品的形状尺寸，以及对于基底的材料选择等问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种金属
‑
记忆相变材料复合结构AFSS的变频方法及装置，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种金属
‑
记忆相变材料复合结构AFSS的变频方法及装置，包括以下步骤：
[0010]步骤一：采用脉冲激光刻蚀技术在镀有金属导电膜层的绝缘基材上制备金属单元图形阵列，形成FSS谐振图案和频率选择通带，然后采用薄膜沉积技术在制备的FSS谐振图案上沉积一层非晶记忆相变薄膜，再采用脉冲激光刻蚀技术制备一种金属与记忆相变材料的复合单元图案，实现AFSS频率选择表面谐振单元阵列的制备，最后在所制备的AFSS样件表面沉积高透射保护层；
[0011]步骤二：采用三维脉冲激光扫描装置，输出特定范围脉冲宽度和能量密度的脉冲激光光束对复合结构频率选择表面进行快速扫描，诱导记忆相变材料在高阻态与低阻态之间快速切换，改变复合谐振单元阵列结构等效导电尺寸，实现调控频率选择表面电磁传输性能变化的功能；
[0012]优选的，所述步骤一中可使用的绝缘基材包括石英、蓝宝石、硅片、陶瓷、氮化硅、环氧树脂等适用于金属和记忆相变薄膜沉积的材料，步骤一中金属导电材料可使用铜、铝、金、银、氧化铟锡(ITO)等材料，记忆相变材料主要由碲、锗、锑三种元素组成，可表示为GeTe
(1
‑
x)
(Sb2Te3)
x
，主要包括GeTe，Ge2Sb2Te5，Ge3Sb2Te6以及Sb2Te3，该类材料可在外界激励下实现非晶态到晶态的可逆转变，在此过程中其光学常数和电学常数也会发生显著变化。
[0013]更进一步，所述记忆相变材料可通过掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属
‑
记忆相变材料复合结构AFSS的变频方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采用脉冲激光刻蚀技术在镀有金属导电膜层的绝缘基材上制备金属单元图形阵列，形成FSS谐振图案和频率选择通带，采用薄膜沉积技术在制备的FSS谐振图案上沉积一层非晶记忆相变薄膜，采用脉冲激光刻蚀技术制备一种金属与记忆相变材料的复合单元图案，实现AFSS频率选择表面谐振单元阵列的制备，在所制备的AFSS样件表面沉积高透射保护层；步骤二：采用三维脉冲激光扫描装置，输出特定范围脉冲宽度和能量密度的脉冲激光光束对复合结构频率选择表面进行快速扫描，诱导记忆相变材料在高阻态与低阻态之间切换，改变复合谐振单元阵列结构等效导电尺寸，实现调控频率选择表面电磁传输性能变化的功能。2.根据权利要求1所述的一种金属
‑
记忆相变材料复合结构AFSS的变频方法，其特征在于，所述步骤一中金属导电材料使用铜、铝、金、银、ITO材料，记忆相变材料由碲、锗、锑三种元素组成，其表示为GeTe
(1
‑
x)
(Sb2Te3)
x
，其包括GeTe，Ge2Sb2Te5，Ge3Sb2Te6以及Sb2Te3，其在外界激励下实现非晶态到晶态的可逆转变，在此过程中其光学常数和电学常数也会发生变化。3.根据权利要求1所述的一种金属
‑
记忆相变材料复合结构AFSS的变频方法，其特征在于，所述步骤二中的激光光源采用波长范围300
‑
1200nm，脉宽不大于纳秒，能量密度在15mJ/cm2至50mJ/cm2范围的激光脉冲，将非晶态a
‑
GeTe转变为高纯度的晶态c
‑
GeTe，实现高阻态向低阻态转变，使用能量密度在90mJ/cm2至120mJ/cm2范围的激光脉冲，将晶态c
‑
GeTe转换到高纯度的非晶态a
‑
GeTe，实现低阻态向高阻态转变。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述非晶态a
‑
GeTe转变为高纯度的晶态c
‑
GeTe，复合谐振单元的结构或图形或尺寸会发生改变，引起频率选择表面电磁传输性能变化，改变了AFSS的频率谐振点，当晶态c
‑
GeTe转换到高纯度的非晶态a
‑
GeTe，复合谐振单元将恢复原结构或图形或尺寸，引起AFSS的频率谐振点恢复为初始值，实现频率选择表面变频功能。5.根据权利要求1所述的一种金属
‑
记忆相变材料复合结构AFSS的变频方法，其特征在于，所述步骤二中实现频率选择表面电磁传输性能变化的功能可由以下方式实现：改变等效谐振单元形...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓磊敏，马浩然，段军，陈天庭，乔亚庆，刘翌，吴思，刘乐，熊伟，高辉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：