一种透明人工电磁材料制造技术

本发明专利技术涉及一种透明人工电磁材料，包括至少一个材料片层，每个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掺铝氧化锌薄膜。基板选用透明材料，而作为人造微结构的掺铝氧化锌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，从而将人工电磁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】

本专利技术涉及一种透明人工电磁材料，如图I所示，包括至少一个材料片层1，当材料片层I有多个时，其沿垂直于表面的X方向叠加成一体。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共同构成一个材料单元2，整个材料片层I可以看作是由多个材料单元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，本专利技术的材料单元其X、I、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。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，即可实现电磁波的偏折、汇聚、发散等。现有的人工电磁材料，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，现有的人工电磁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，人工电磁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，因此现有人工电磁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1，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，本专利技术选用掺铝氧化锌薄膜。掺铝氧化锌(缩写为ΖΑ0)薄膜，是ZnO体系中掺杂元素Al而得来的。ZnO薄膜具有C轴择优生长的众多晶粒，每个晶粒都是呈生长良好的六角形铅锌矿结构。ZnO晶体是氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向嵌套而成的。这种结构的薄膜具有透明导电性，但电阻值高。在ZnO中掺杂Al之后，可以形成ZAO薄膜，电阻率大大降低，因而具有很好的导电性能，同时薄膜的稳定性也大大提高。掺铝氧化锌薄膜在厚度通常在50 IOOOnm之间，为透明无色，透光率可达90%。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，良好的透光性可将人工电磁材料的应用由微波领域拓宽至可见光。在制造人工电磁材料时，先制得由透明有机玻璃等高分子材料制成的基板3，在基板3上附上一层保护膜，且保护膜上开有形状与人造微结构相同的镂孔，用蒸镀法将ZAO沉积到保护膜上，且镂孔部分的ZAO将直接附着在基板3上，然后揭去保护膜，即可得到附着有ZAO薄膜的人造微结构的基板，也即制得一个材料片层I，最后将多个材料片层I封装成为一块完整的人工电磁材料。当然，本专利技术的掺铝氧化锌薄膜也可以是通过其他方式附着到基材3上形成人造微结构4，现有技术的制备掺铝氧化锌薄膜的方法均可用在本专利技术中，用以制备掺铝氧化锌的人造微结构。由于基板3和人造微结构4均为透明材料，因此这样的人工电磁材料可用于可见光领域，极大的拓展了人工电磁材料的应用领域和范围，有着重要的科研价值和经济价值。例如，设计一个透明人工合成材料，如图I、图3所示，沿X方向和y方向的每一列人造微结构均相同，而沿z方向的每一列人造微结构其形状几何相似，而尺寸逐渐减小，使得折射率沿X、y方向不变，而沿z方向的折射率逐渐减小。满足这样的折射率分布的材料片层I即可实现电磁波的偏折，如图3所示，从折射率小的地方入射到透明人工合成材料中的电磁波，将向折射率大的地方偏折。当然，通过设计各个材料单元2的人造微结构4，可实现各种折射率分布，进而实现普通人工电磁材料所能实现的电磁波偏折、发散等其他功能。但本专利技术由于采用透明的基板3和人造微结构4，将电磁波由微波波段拓宽到可见光频段，是一次革命性的进步，有利于替代传统的光学元件如凸透镜、凹面镜等，而本专利技术的材料片层I均为平面板，无需特别设计凸面或凹面等复杂曲面，大大简化了设计和加工过程，能够有效降低设计、制造成本。因此，上面结合附图对本专利技术的实施例进行了描述，但是本专利技术并不局限于上述 的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本专利技术的启示下，在不脱离本专利技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本专利技术的保护之内。权利要求1.一种透明人工电磁材料，包括至少一个材料片层，每个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掺铝氧化锌薄膜。2.根据权利要求I所述的透明人工电磁材料，其特征在于，所述掺铝氧化锌薄膜的透光率大于80%。3.根据权利要求I所述的透明人工电磁材料，其特征在于，所述掺铝氧化锌薄膜的厚度在50 IOOOnm之间。4.根据权利要求I所述的透明人工电磁材料，其特征在于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明人工电磁材料，包括至少一个材料片层，每个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掺铝氧化锌薄膜。

【技术特征摘要】

【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：