專利名稱：一種可調諧的平板電磁波吸收材料的制作方法
技術領域：
本發明屬于電磁功能材料技術領域，涉及電磁波吸收材料，特別涉及可調諧的電磁波平面型吸收材料。
背景技術：
超穎材料(Metamaterial)，或者又叫特異材料，是一種由亞波長人工單元按照一定規律排列所構成的人工電磁煤質。其中由于人工單元的尺寸遠小于工作波長，因此相對于工作波長而言是一種性能均勻的材料。超穎材料的優點在于可以通過調節人工單元的結構、尺寸和分布形式來任意控制材料的電磁屬性，從而獲得多種新穎的特性。例如利用超穎材料可以制備左手材料，完美透鏡以及光波段的隱身衣等。而這些特性，是自然物質沒有或者很難實現的。組成超穎材料的最常用的人工單元包括有限長線條(Cut Wires)和開口環共振器(Split Ring Resonator, SRR)等。2008年美國波士頓大學H. Tao等人利用Metamaterial設計了一類三層式的電磁波吸收材料，該材料具有接近100 %的電磁波窄帶吸收效率，被稱為完美吸收材料(Perfect absorber)。以一個典型的單元為例，這種吸收材料具有三層結構，其中底層為長方形的金屬條，第二層為隔離層(例如聚酰亞胺介質層)，第三層為Metamaterial。2008年提出的這種吸收材料在制備過程中需要多步光刻以及對準等過程，研制相對復雜，其最大吸收率達到70%。隨后，H. Tao等人提出了一種改進型的基于Metamaterial的電磁波吸收材料，與第一種材料的區別是其底層的金屬條變成了連續金屬薄膜。這類吸收材料在制備上只需要一道光刻步驟，簡化了光刻工藝以及對準過程，因而其制備更加容易。同時，這種材料因為引入了連續金屬薄膜作為底層，電磁波不能夠穿過整個材料，使得這種吸收材料對0-50度角入射的電磁波均具有90 %以上的強吸收。基于Metamaterial的三層式電磁波吸收材料的吸收機理如下首先，通過設計和優化Metamaterial人工單元的結構、尺寸和排列方式，調節吸收材料在某個特定頻率(稱為中心吸收頻率)的阻抗Z(W)與自由空間相匹配(即吸收材料的有效介電常數與有效磁導率μ eff相等)，這時該頻段的電磁波完全進入吸波材料中而幾乎不被反射，因此反射率R接近于零；其次，底層金屬平面層使得電磁波不能透過該材料，使得透射率也為零。 這樣，電磁波就會被完全限制在該材料的內部直至被介質層或者金屬層完全損耗。理論上該材料可以實現窄帶的100%的電磁波吸收。而中心頻率是由超穎材料對入射電磁波的電感-電容諧振(LC諧振)頻率所決定的。通過適當的縮小和放大材料的尺寸，這種接近完美吸收的新型材料可以應用于微波，太赫茲波甚至光波段。在電磁波吸收、抗電磁干擾、隱身技術、相位成像，光譜檢測以及熱發射等領域均具有十分重要的價應用值。然而，目前已有的基于Metamaterials的電磁波吸收材料都是被動式的，一旦制備完成之后，其吸收性能也就確定了。而目前日益復雜的電磁應用環境需要主動式的可調諧吸收材料，例如可以根據電磁環境的變化改變吸收頻率，或者實現對電磁波吸收程度的控制等等。
發明內容
本發明提供一種可調諧的平板電磁波吸收材料，該電磁波吸收材料在現有基于 Metamaterial的三層式電磁波吸收材料基礎上，增加了一層氧化釩相變材料，借助于熱、電場或者激光調制，通過觸發氧化釩相變材料的絕緣-金屬相變，可實現從電磁波吸收器向反射器的變換，獲得高達70%的電磁波吸收幅度調制。該材料可用于微波、太赫茲波以及光波段的電磁保護、隱身技術、波譜探測以及熱輻射等。本發明技術方案為一種可調諧的平板電磁波吸收材料，如圖1所示，包括金屬反射層2、介質層3、氧化釩相變材料層4和超穎材料層5 ；其中，介質層3位于金屬反射層2和氧化釩相變材料層4之間，氧化釩相變材料層4位于介質層3和超穎材料層5之間。所述金屬反射層2為連續金屬薄膜，其厚度大于所述平板電磁波吸收材料工作電磁波的趨膚深度，起到阻止電磁波透射的作用；所述介質層3可以采用聚合物介質材料、無機陶瓷介質材料、玻璃類非晶材料或者常用的單晶基片材料；所述氧化釩相變材料層4由薄膜制備工藝制備于介質層3 表面，具備絕緣相-金屬相的相變特征；所述即超穎材料層5是由金屬薄膜制備工藝及光刻工藝制備于氧化釩相變材料層4表面的、亞波長尺度的金屬人工結構單元周期性排列而成。所述亞波長尺度的金屬人工結構單元可以是各種開口環共振器(SRR)，或者金屬線條 (Cut-wires)等。上述平板電磁波吸收材料，在金屬反射層2的背面還可增加一層襯底支撐層1，襯底支撐層1在結構中僅起到支撐作用，具體材料可采用各種常用的單晶或多晶基片。本發明的核心思想是在三層式電磁波吸收材料的超穎材料層和介質層之間，插入了一層絕緣-金屬相變薄膜層，利用熱或者電或者光觸發相變薄膜的相變過程來控制電磁波吸收材料的吸收效率和吸收頻率。采用氧化釩薄膜作為相變材料層，是因為氧化釩薄膜是一種室溫高速相變材料，具有絕緣體-金屬相變特性，在金屬化相變前為單斜系的絕緣材料，而在金屬化相變之后即轉變為金紅石結構的金屬相。伴隨著從絕緣體到金屬的相變過程，氧化釩相變薄膜的電導率發生1000-10000倍的巨大變化，介電和光學性能也發生顯著的變化。本發明提供的一種可調諧的平板電磁波吸收材料，其工作原理如下當氧化釩相變薄膜處于絕緣相時，其作用等同于介質層，通過對超穎材料的合理設計實現吸收材料與自由空間的阻抗匹配(即ε eff = μ eff)，即形成一個基于Metamaterial的電磁波吸收材料， 可以在某些特定頻段實現接近完全的電磁波吸收。在外場刺激下，當氧化釩相變薄膜層從絕緣態轉變為金屬相時，阻抗匹配條件被破壞，導致電磁波被強烈反射，因此電磁波吸收大大降低；而當氧化釩相變薄膜層從金屬相又轉變為絕緣相時，即恢復成電磁波吸收材料。同時，金屬化氧化釩薄膜使得人工單元的電容部分被短接，超穎材料的電感-電容諧振(LC諧振)發生改變，導致吸收頻率發生移動。與現有技術相比，本發明具有以下特點1、相對于現有的基于超穎材料的電磁波吸收器，本發明具有吸收幅度和吸收頻率可調的特性；2、發明所提供的可調諧平板電磁波吸收材料，具有調制幅度大的優點，調制深度可以達到70%以上；3.本發明提供的可調諧平板電磁波吸收器，具有調制手段多樣的特點，可以借助于熱或電或者激光等多種手段來實現太赫茲波吸收的調制；4.本發明提供的可調諧平板電磁波吸收材料，還具有結構簡單和易于制備等特
點ο
圖1是本發明提供的可調諧的平板電磁波吸收材料的基本結構示意圖。其中2為金屬反射層，3為介質層，4為氧化釩相變材料層，5為超穎材料層。圖2是本發明提供的具有單獨襯底結構的可調諧的平板電磁波吸收材料的結構示意圖。其中1為襯底層。圖3是本發明提供的可調諧的平板電磁波吸收材料可以采用的部分超穎材料人工單元結構(a)單開口 SRR，(b)線條型，和(c)雙開口 SRR。其中(c)為本發明的具體實施方式
所采用的超穎材料人工單元結構。圖4是本發明的具體實施方式
所采用的氧化釩相變薄膜的電阻率隨溫度變化的情況。圖5是本發明的具體實施方式
的微波反射率Sll譜線的(a)仿真結果和和(b)實測結果(室溫下)；圖6是本發明的具體實施方式
在測試溫度從300K變化到34 時，微波反射率隨溫度的變化情況。(a)為低頻吸收情況；(b)為高頻吸收情況。圖7是本發明的具體實施方式
的反射幅度和吸收頻率與溫度的關系。其中插圖是 337K到34 溫度區間反射幅度和吸收頻率與溫度的關系。
具體實施例方式下面以微波段雙頻吸收材料和溫度控制方法為例，具體說明該本發明所提供的可調諧電磁波吸收材料的制備和實施過程步驟一結構設計過程利用商用軟件Microwave Studio CST，建立基于超材料的電磁波吸收材料的結構模型，優化結構尺寸參數以使材料工作在需要頻段，并在需要的頻率點上獲得最佳吸收效果。在微波頻段，由于介質層厚度可以達到幾百個微米以上，這時候介質層即可支撐整個材料，因此襯底層不再需要。圖3(c)給出了本具體實施方式
中所采用的單個人工單元的結構。該人工單元具有兩種不同類型的金屬開口，將形成兩個LC諧振。其中內部中心位置的開口環產生高頻共振，而外面的兩個金屬開口共同產生低頻共振。設計的吸收材料結構為金屬反射層厚度為0.8微米厚的Cu層，介質層為500微米的C-Al2O3藍寶石單晶基片， 氧化釩相變材料層厚度為200nm，超穎材料人工單元為0. 2微米厚的Cu層。通過設計得到的人工單兀尺寸為a = 2mm, b = 4mm, d = 0. lmm, h = 1. 8mm, 1 = lmm,、= t2 = 0. 2mm, t3 = 0. 3mm, t4 = 0. 5mm。單元陣列的周期為 3_X5mm.步驟二 氧化釩相變薄膜制備過程利用射頻磁控濺射方法，由金屬釩(V)靶材在Al2O3藍寶石單晶基片上沉積200nm厚的氧化釩相變薄膜，工作氣體為02/Ar混合氣體，濺射溫度為500攝氏度。圖4給出了該薄膜隨溫度變化的電阻變化曲線，表明該材料在 340K(67°C )附近發生了絕緣體-金屬相變，薄膜的電阻率由300K時的1350Qcm大幅降低到345K(72°C )時的19 Ω cm,降幅達到3個數量級。步驟三吸收材料制備過程在制備成功氧化釩相變薄膜之后，利用磁控濺射方法在氧化釩相變薄膜上沉積0. 2微米厚的Cu層，并利用傳統光刻工藝刻蝕出如圖3所示的周期陣列。最后，在C-Al2O3藍寶石單晶基片的背面沉積0. 8微米的Cu層作為金屬反射層。步驟四吸收性能測試過程。利用拱形天線測試裝置對材料的Sll反射系統進行測量。其中Agiler^8720E7矢量網絡分析儀提供2-20GHZ的掃頻入射電磁波。樣品是放置在一個可控加熱平臺上，該加熱平臺的溫度可以在室溫到100°C之間快速加熱和冷卻。圖5給出了測試得到的微波反射率與理論計算反射曲線S11的對比情況，吸收強度由I-Is11I2計算得到。可以看到我們所設計的吸收材料具有雙頻吸收特性，該雙頻吸收跟超穎材料的雙頻LC諧振相對應。仿真結果顯示這兩個吸收峰分別在9. 03GHz和17. 6GHz， 吸收效率分別為92. 7%和99. 4%。而測試結果顯示兩個吸收峰分在9. 3GHz和18. 6GHz附近，吸收效率分別為84%和92%。實驗與計算結果的差異主要來源于樣品加工誤差和測試誤差。圖6給出本發明提供的可調諧平板電磁波吸收材料實施的實測結果。本實例中采用兩個吸收峰是為了對吸收材料的可調諧性進行對比和說明。可以看到，在室溫下，吸收材料具有很強的雙頻吸收。隨著溫度的升高，兩個吸收峰均發生了變化。對于低頻吸收，隨著溫度從300K升高到34 ，其吸收強度從84%降低到70%，中心吸收頻率從9. 36GHz藍移到9. 9GHz。而對于高頻吸收，隨著溫度的升高，其吸收強度快速降低，從300K下的92. 2% 降低到對％，絕對調諧幅度達到68%，相對調諧幅度達到74%。同時，其中心吸收頻率從 18. 6GHz藍移到19. 12GHz。因此，利用本發明所提供的可調諧吸收材料可以實現電磁波吸收幅度和吸收頻率的調諧。圖7給出了反射幅度和吸收頻率與溫度的對應關系。可以看到，吸收幅度和吸收頻率發生顯著變化對應的溫度范圍為337K(64°C )到34^((72°C )，正好是氧化釩相變薄膜相變溫度區間。這表明氧化釩相變薄膜的絕緣-金屬相變所引起的電導率和介電常數的巨大變化，是導致本發明所提供的吸收材料具有可調諧性的根本原因。
權利要求
1.一種可調諧的平板電磁波吸收材料，包括金屬反射層O)、介質層(3)、氧化釩相變材料層⑷和超穎材料層(5)；其中，介質層(3)位于金屬反射層(2)和氧化釩相變材料層 ⑷之間，氧化釩相變材料層⑷位于介質層⑶和超穎材料層(5)之間。
2.根據權利要求1所述的可調諧的平板電磁波吸收材料，其特征在于，所述金屬反射層(2)為連續金屬薄膜，其厚度大于所述平板電磁波吸收材料工作電磁波的趨膚深度。
3.根據權利要求1所述的可調諧的平板電磁波吸收材料，其特征在于，所述介質層(3) 為聚合物介質材料、無機陶瓷介質材料、玻璃類非晶材料或者常用的單晶基片材料。
4.根據權利要求1所述的可調諧的平板電磁波吸收材料，其特征在于，所述氧化釩相變材料層由薄膜制備工藝制備于介質層( 表面，具備絕緣相-金屬相的相變特征。
5.根據權利要求1所述的可調諧的平板電磁波吸收材料，其特征在于，所述即超穎材料層( 是由金屬薄膜制備工藝及光刻工藝制備于氧化釩相變材料層(4)表面的、亞波長尺度的金屬人工結構單元周期性排列而成。
6.根據權利要求5所述的可調諧的平板電磁波吸收材料，其特征在于，所述亞波長尺度的金屬人工結構單元是各種開口環共振器或者金屬線條。
7.根據權利要求1、2、4、5或6所述的可調諧的平板電磁波吸收材料，其特征在于，所述平板電磁波吸收材料的金屬反射層O)的背面還具有一層襯底支撐層(1)。
8.根據權利要求7所述的可調諧的平板電磁波吸收材料，其特征在于，所述襯底支撐層(1)采用各種單晶或多晶襯底材料。
9.根據權利要求3所述的可調諧的平板電磁波吸收材料，其特征在于，所述平板電磁波吸收材料的金屬反射層O)的背面還具有一層襯底支撐層(1)。
10.根據權利要求9所述的可調諧的平板電磁波吸收材料，其特征在于，所述襯底支撐層(1)采用各種單晶或多晶襯底材料。
全文摘要
一種可調諧的平板電磁波吸收材料，屬于電磁功能材料技術領域。包括金屬反射層、介質層、氧化釩相變材料層和超穎材料層；介質層位于金屬反射層和氧化釩相變材料層之間，氧化釩相變材料層位于介質層和超穎材料層之間。本發明在三層式電磁波吸收材料的超穎材料層和介質層之間，插入氧化釩相變薄膜，利用熱、電或光觸發相變過程來控制電磁波吸收材料的吸收效率和吸收頻率。本發明結構簡單、易于制備；具有吸收幅度和吸收頻率可調的特性，調制深度可以達到70％以上；且調制手段多樣的特點，可以借助于熱或電或者激光等多種手段來實現太赫茲波吸收的調制；可用于微波、太赫茲波以及光波段的電磁保護、隱身技術、波譜探測以及熱輻射等。
文檔編號B32B3/14GK102303429SQ20111016738
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月21日 優先權日2011年6月21日
發明者張懷武, 文岐業, 楊青慧, 梁棟, 荊玉蘭, 趙碧輝, 龍洋 申請人:電子科技大學