一种透明超材料制造技术

本发明专利技术涉及一种透明超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括片状基板和附着在所述基板上的人造微结构，所述基板由透明材料制成，所述人造微结构为具有几何图案的碳纳米管薄膜。基板选用透明材料，而作为人造微结构的碳纳米管薄膜透明的同时还具有优良的电导性，因此能够对可见光产生响应，从而引起可见光汇聚、发散、偏折等，从而将超材料的应用范围从微波拓宽到可见光领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种透明超材料。
技术介绍
超材料是一种能够对电磁广生响应的新型人工合成材料，由基板和附着在基板上的人造微结构组成。由于人造微结构通常为金属线排布成的具有一定几何图形的结构，因此能够对电磁波产生响应,从而使超材料整体体现出不同于基板的电磁特性,这样的电磁特性能实现现有材料不能实现的特殊功能，例如实现电磁波的汇聚、发散等，可用在天线、雷达等电磁通讯领域。理论上超材料能够应用在各种电磁波上，但是现有的应用领域通常只在微波等电磁通讯领域，而对可见光是不起作用的，这是由基板和人造微结构的选材所限定的。解决利 用超材料来汇聚、发散可见光的问题，可以将超材料的应用范围扩展到可见光频段。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种透明超材料。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种透明超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括片状基板和附着在所述基板上的人造微结构，所述基板由透明材料制成，所述人造微结构为具有几何图案的碳纳米管薄膜。在本专利技术所述的透明超材料中，所述碳纳米管薄膜具有80%或更高的透明度。在本专利技术所述的透明超材料中，所述碳纳米管薄膜的厚度在50 IOOOnm之间。在本专利技术所述的透明超材料中，所述人造微结构为“工”字形。在本专利技术所述的透明超材料中，所述人造微结构为二维雪花型或三维雪花型。在本专利技术所述的透明超材料中，所述基板为透明高分子材料。在本专利技术所述的透明超材料中，所述基板为聚甲基丙烯酸甲酯。在本专利技术所述的透明超材料中，所述基板为透明聚氨酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯。在本专利技术所述的透明超材料中，所述人造微结构的尺寸小于将要响应的入射电磁波的波长的十分之一。实施本专利技术的透明超材料，具有以下有益效果基板选用透明材料，而作为人造微结构的碳纳米管薄膜透明的同时还具有优良的电导性，因此能够对可见光产生响应，从而引起可见光汇聚、发散、偏折等，从而将超材料的应用范围从微波拓宽到可见光领域。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中图I是本专利技术优选实施例的透明超材料的结构示意图；图2是图I所示的透明超材料的一个超材料单元的结构示意图3是一实施例的透明超材料的每个超材料片层的折射率分布图；图4是图3所示透明超材料汇聚电磁波的示意图。具体实施例方式本专利技术涉及一种透明超材料，如图I所示，包括至少一个超材料片层1，当超材料片层I有多个时，其沿垂直于表面的X方向叠加成一体。超材料片层I包括均匀等厚的片状基板3和附着在片状基板3上的多个人造微结构4。将片状基板3虚拟地划分为多个完全相同的方体形网格，每个网格为一个基板单元30，并使得每个基板单元30上附着有一个人造微结构4，则每个基板单元30及其上附着的人造微结构4共同构成一个超材料单元2，整个超材料片层I可以看作是由多个超材料单元2以第z方向为行、以y方向为列组成的第一阵列。这里的方体形网格，可以具有任意自由划分的尺寸，本专利技术中优选为y、z方向的长度均为将要响应的电磁波的波长的十分之一、X方向的长度与片状基板3的X方向的厚度 相等，因此附着在基材单元上的人造微结构尺寸要小于入射电磁波的波长的十分之一。当然，本专利技术的超材料单元其x、y、z方向的长度在电磁波波长的五分之一至二分之一之间均可。超材料单元2的具体结构如图2所示,包括一个基板单元30和附着在该基板单元30表面上的人造微结构4。人造微结构4为具有一定几何图案的薄膜，例如本实施例中，人造微结构4为平面的“工”字形，包括直线型的第一直线和分别垂直连接在第一直线两端的两根第二直线。人造微结构4也可以为其他形状，如平面的二维雪花型，其包括两个相互垂直相交成“十”字形的第一直线和分别垂直连接在每个第一直线两端的四根第二直线。人造微结构4也可以为立体的三维雪花型，包括三个两两垂直且相交到一点的第一直线和分别垂直连接在每个第一直线两端的六根第二直线。立体的人造微结构4是通过一定的加工工艺附着到基板3内部的。当然，本专利技术的人造微结构4还有多种实现方式，只要由能够对电磁场产生响应的材质所做的薄膜丝线构成的具有一定几何图形从而对电磁场产生响应即改变电磁场特性的结构，均可作为本专利技术的人造微结构4附着在基板3表面上或者嵌入基板3内部从而形成本专利技术的超材料单元2。每个基板单元30及其上的人造微结构4共同决定了它们所构成的超材料单元2的介电常数和磁导率，根据公式《 = #可知，已知介电常数和磁导率，即可得到折射率n，而折射率大小表示对电磁波传播方向的影响程度。因此，通过设计各个人造微结构4的形状、大小等，改变各个超材料单元2的介电常数和磁导率，进而得到特定的折射率分布，SP可实现电磁波的偏折、汇聚、发散等。现有的超材料，其人造微结构4通常选用银、铜等材质的有色金属，因为银、铜等金属为良好导体，在其金属结构表面形成表面等离子体效应，良好导体能够尽可能的激发和增强这种效应，从而对电磁波的响应更灵敏、效果更强。基板3则需要选那些对电磁波没有响应、不影响电磁波或者影响尽量小的材料，即介电常数和磁导率必须尽量接近于1，现有的超材料通常选用陶瓷作为基板材料。在人造微结构4和基板单元30的共同作用下，超材料在电磁特性方面体现出了一般自然界材料没有的特性，如负折射率材料，波束汇聚，波束偏转，波束平行等特性。并且由这些物理特性，延展出很多新的应用，如通信，光学，器件小型化，探测等领域。但是，由于人造微结构4和基板3均为不透明材料，因此现有超材料主要应用于微波波段，对可见光不能产生作用。本文所述的透明，是指透光度达到80%以上。本专利技术的创新点之一在于，选用透明材料作为基板3，例如透明有机高分子材料等。优选实施例中，本专利技术的基板3选用透明有机玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯，英文简称PMMA。可用作基板3的其他透明有机高分子材料还可以是透明聚氨酯、聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)等等。这些材料的介电常数均不高，选在I 5之间，而磁导率基本上都为I，符合作为基板3的前提要求。同时，这些材料通过现有技术的制造工艺，都可实现透明或半透明，使得可见光透过。本专利技术的创新点之二在于，进一步地，人造微结构4也选用透明或半透明材料，本 专利技术选用碳纳米管薄膜。碳纳米管作为一种新材料，具有质量轻、强度大的特点，更为重要的是，碳纳米管具有优良的导电性能，当其管径小于6nm时，可以被看成是具有良好导电性的一维量子导线。本专利技术的碳纳米管薄膜，是含有碳纳米管的薄膜，包括离子导电聚合物粘接剂和分散在粘接剂中的碳纳米管，粘接剂为具有引入磺酰基的氟代聚乙烯，或者为具有引入羧基、磺酰基、磷酰基或亚氨磺酰基的热塑性聚合物。碳纳米管薄膜在厚度为50 IOOOnm之间时，为透明无色，由于具有良好的电学传导性，因此可以作为导电薄膜来替代银、铜来制造人造微结构以便对电磁波产生响应，同时，还具有很好的透光性，从而将超材料的应用由微波领域拓宽至可见光。在制造超材料的过程中，先将碳纳米管分散在水溶剂中，将离子导电聚合物粘接剂溶解于乙醇溶液中，然后将碳纳米管的水溶液和离子导电聚合物粘接剂的乙醇溶液混合，用搅拌器充分搅拌混合后的溶液。然后，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括片状基板和附着在所述基板上的人造微结构，其特征在于，所述基板由透明材料制成，所述人造微结构为具有几何图案的碳纳米管薄膜。

【技术特征摘要】
1.ー种透明超材料，包括至少ー个超材料片层，每个超材料片层包括片状基板和附着在所述基板上的人造微结构，其特征在于，所述基板由透明材料制成，所述人造微结构为具有几何图案的碳纳米管薄膜。2.根据权利要求I所述的透明超材料，其特征在于，所述碳纳米管薄膜具有80%或更高的透明度。3.根据权利要求I所述的透明超材料，其特征在于，所述碳纳米管薄膜的厚度在50 IOOOnm 之间。4.根据权利要求I所述的透明超材料，其特征在于，所述人造微结构的几何图案为“エ”字形。5.根据权利要求I所述的透明超材料，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘若鹏，栾琳，寇超峰，许毓钦，
申请(专利权)人：深圳光启高等理工研究院，深圳光启创新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：