專利名稱：一種透明超材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及超材料領域，更具體地說，涉及一種透明超材料。
背景技術：
超材料是一種能夠對電磁產生響應的新型人工合成材料，由基板和附著在基板上的人造微結構組成。由于人造微結構通常為金屬線排布成的具有一定幾何圖形的結構，因此能夠能電磁產生響應，從而使超材料整體體現出不同于基板的電磁特性，這樣的電磁特性能實現現有材料不能實現的特殊功能，例如實現電磁波的匯聚、發散等，可用在天線、雷達等電磁通訊領域。理論上超材料能夠應用在各種電磁波上，但是現有的應用領域通常只在微波等電磁通訊領域，而對可見光是不起作用的，這是由基板和人造微結構的選材所限定的。解決利用超材料來匯聚、發散可見光的問題，可以將超材料的應用范圍擴展到可見光頻段。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的缺陷，提供一種透明超材料。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種透明超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括片狀基板和附著在所述基板上的人造微結構，所述基板由透明材料制成。在本發明的透明超材料中，所述基板為透明高分子材料。在本發明的透明超材料中，所述基板為聚甲基丙烯酸甲酯、透明聚氨酯、聚乙烯、 聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯。在本發明的透明超材料中，所述人造微結構4由銦錫氧化物制成，所述銦錫氧化物為In2O3和SnA的混合材料。在本發明的透明超材料中，所述銦錫氧化物中In2O3的質量百分比在80% 95% 之間。在本發明的透明超材料中，所述的In2O3的質量百分比為90%。在本發明的透明超材料中，所述銦錫氧化物成薄膜狀，厚度在50 IOOOnm之間。在本發明的透明超材料中，所述人造微結構為“工”字形。在本發明的透明超材料中，所述人造微結構為二維雪花型或三維雪花型。實施本發明的透明超材料，具有以下有益效果由于基板選用透明材料，因此能夠對可見光產生響應，從而引起可見光匯聚、發散、偏折等。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是本發明優選實施例的透明超材料的結構示意圖；圖2是圖1所示的透明超材料的一個超材料單元的結構示意圖3是一實施例的透明超材料的每個超材料片層的折射率分布圖；圖4是圖3所示透明超材料匯聚電磁波的示意圖。
具體實施例方式本發明涉及一種透明超材料，如圖1所示，包括至少一個超材料片層1，當超材料片層ι有多個時，其沿垂直于表面的X方向疊加成一體。超材料片層ι包括均勻等厚的片狀基板3和附著在片狀基板3上的多個人造微結構4。將片狀基板3虛擬地劃分為多個完全相同的方體形網格，每個網格為一個基板單元30，并使得每個基板單元30上附著有一個人造微結構4，則每個基板單元30及其上附著的人造微結構4共同構成一個超材料單元2， 整個超材料片層1可以看作是由多個超材料單元2以第ζ方向為行、以y方向為列組成的第一陣列。這里的方體形網格，可以具有任意自由劃分的尺寸，本發明中優選為y、z方向的長度均為將要匯聚的電磁波的波長的十分之一、χ方向的長度與片狀基板3的χ方向的厚度相等。當然，本發明的超材料單元其x、y、z方向的長度在電磁波波長的五十分之一至二分之一之間均可。超材料單元2的具體結構如圖2所示，包括一個基板單元30和附著在該基板單元 30表面上的人造微結構4。本實施例的人造微結構4為平面的“工”字形金屬絲，包括直線型的第一金屬絲和分別垂直連接在第一金屬絲兩端的兩根第二金屬絲。人造微結構4也可以為其他形狀，如平面的二維雪花型，其包括兩個相互垂直相交成“十”字形的第一金屬絲和分別垂直連接在每個第一金屬絲兩端的四根第二金屬絲。人造微結構4也可以為立體的三維雪花型，包括三個兩兩垂直且相交到一點的第一金屬絲和分別垂直連接在每個第一金屬絲兩端的六根第二金屬絲。立體的人造微結構4 是通過一定的加工工藝附著到基板3內部的。當然，本發明的人造微結構4還有多種實現方式，只要由金屬絲或金屬線構成的具有一定幾何圖形且能夠對電磁場產生響應即改變電磁場特性的結構，均可作為本發明的人造微結構4附著在基板3表面上或者嵌入基板3內部從而形成本發明的超材料單元2。每個基板單元30及其上的人造微結構4共同決定了它們所構成的超材料單元2 的介電常數和磁導率，根據公式《 = ‘可知，已知介電常數和磁導率，即可得到折射率n， 而折射率大小表示對電磁波傳播方向的影響程度。因此，通過設計各個人造微結構4的形狀、大小等，改變各個超材料單元2的介電常數和磁導率，進而得到特定的折射率分布，即可實現電磁波的偏折、匯聚、發散等。現有的超材料，其人造微結構4通常選用銀、銅等材質的有色金屬，因為銀、銅等金屬為良好導體，在其金屬結構表面形成表面等離子體效應，良好導體能夠盡可能的激發和增強這種效應，從而對電磁波的響應更靈敏、效果更強。基板3則需要選那些對電磁波沒有響應、不影響電磁波或者影響盡量小的材料， 即介電常數和磁導率必須盡量接近于1，現有的超材料通常選用陶瓷作為基板材料。在人造微結構4和基板單元30的共同作用下，超材料在電磁特性方面體現出了一般自然界材料沒有的特性，如負折射率材料，波束匯聚，波束偏轉，波束平行等特性。并且由這些物理特性，延展出很多新的應用，如通信，光學，器件小型化，探測等領域。但是，由于人造微結構4和基板3均為不透明材料，因此現有超材料主要應用于微波波段，對可見光不能產生作用。本文所述的透明，是指透光度達到85%以上。本發明的創新點之一在于，選用透明材料作為基板3，例如透明有機高分子材料等。優選實施例中，本發明的基板3選用透明有機玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯，英文簡稱 PMMA。可用作基板3的其他透明有機高分子材料還可以是透明聚氨酯、聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)等等。這些材料的介電常數均不高，選在1 3之間，而磁導率基本上都為1，符合作為基板3的前提要求。同時，這些材料通過現有技術的制造工藝，都可實現透明或半透明，使得可見光透過。本發明的創新點之二在于，進一步地，人造微結構4也選用透明或半透明材料，本發明優選銦錫氧化物。銦錫氧化物(ΙΤ0，又稱摻錫氧化銦)是一種銦(III族)氧化物M2O3和錫(IV族) 氧化物SnA的混合物，通常In2O3的質量百分比在80% 95%之間，本發明優選質量比為 90%的In2O3,10%的Sn02。銦錫氧化物在薄膜狀即厚度在50 IOOOnm之間時，為透明無色，可以作為導電薄膜來替代銀、銅金屬絲的同時還具有很好的透光性。銦錫氧化物具有良好的電學傳導性，因此能夠實現銀、銅等良好導體所能實現的功能，因此可替代銀、銅作為超材料中人造微結構4的原材料。在制造超材料的過程中，將透明有機玻璃等透明高分子材料作為基板3，然后采用電子束蒸發、物理氣相沉積、或者一些濺射沉積技術的方法沉積到這些基板3的表面，形成各種人造微結構4，即制得一個超材料片層1，最后將多個超材料片層1封裝成為一塊完整的超材料。由于基板3和人造微結構4均為透明材料，因此這樣的超材料可用于可見光領域，極大的拓展了超材料的應用領域和范圍，有著重要的科研價值和經濟價值。例如，設計一個超材料片層1，其折射率為環形分布，如圖3所示，將折射率相同的超材料單元2的中心點練成一條曲線，且曲線越密表示折射率越大。由圖可知，本發明一實施例的超材料片層1的折射率以一中心的超材料單元為圓心，距離該圓心相等的一圓周上的各個超材料單元2其折射率相等，半徑越大則該圓周上的超材料單元的折射率越小，即該超材料圓心處折射率最大，沿徑向向外折射率逐漸減小，且相鄰圓周上的折射率的差值自圓心向外逐漸增大。滿足這樣的折射率分布的超材料片層1即可實現電磁波的匯聚。對于形狀相似的人造微結構4，人造微結構4越小，相應的超材料單元的折射率越小。如圖4所示，多個圖3所示的超材料片層1疊加形成一個透明超材料，一束平行的可見光可以穿過透明的基板3和人造微結構4，且其折射率分布將使得可見光向一點匯聚， 實現類似凸透鏡的功能。當然，通過設計各個超材料單元2的人造微結構4，可實現各種折射率分布，進而實現普通超材料所能實現的電磁波偏折、發散等其他功能。但本發明由于采用透明的基板3 和人造微結構4，將電磁波由微波波段拓寬到可見光頻段，是一次革命性的進步，有利于替代傳統的光學元件如凸透鏡、凹面鏡等，而本發明的超材料片層1均為平面板，無需特別設計凸面或凹面等復雜曲面，大大簡化了設計和加工過程，能夠有效降低設計、制造成本。因此，上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做
5出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。
權利要求
1.一種透明超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括片狀基板和附著在所述基板上的人造微結構，其特征在于，所述基板由透明材料制成。
2.根據權利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述基板為透明高分子材料。
3.根據權利要求2所述的透明超材料，其特征在于，所述基板為聚甲基丙烯酸甲酯。
4.根據權利要求2所述的透明超材料，其特征在于，所述基板為透明聚氨酯、聚乙烯、 聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯。
5.根據權利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述人造微結構由銦錫氧化物制成，所述銦錫氧化物為In2O3和SnA的混合材料。
6.根據權利要求5所述的透明超材料，其特征在于，所述銦錫氧化物中^i2O3的質量百分比在80% 95%之間。
7.根據權利要求6所述的透明超材料，其特征在于，所述的^i2O3的質量百分比為 90%。
8.根據權利要求5所述的透明超材料，其特征在于，所述銦錫氧化物成薄膜狀，厚度在 50 IOOOnm之間。
9.根據權利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述人造微結構為“工”字形。
10.根據權利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述人造微結構為二維雪花型或三維雪花型。
全文摘要
本發明涉及一種透明超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括片狀基板和附著在所述基板上的人造微結構，所述基板由透明材料制成。采用本發明的透明超材料，由于基板選用透明材料，因此能夠對可見光產生響應，從而引起可見光匯聚、發散、偏折等。
文檔編號H01Q15/00GK102480006SQ20111009128
公開日2012年5月30日 申請日期2011年4月12日 優先權日2011年4月12日
發明者劉若鵬, 寇超鋒, 欒琳, 許毓欽, 趙治亞 申請人:深圳光啟創新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院