一種透明超材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種透明超材料，包括透明基板、設(shè)置在透明基板一側(cè)表面上的多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)以及覆蓋多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的透明保護(hù)層。根據(jù)本發(fā)明的透明超材料能夠?qū)梢姽猱a(chǎn)生響應(yīng)并且能夠透光，通過設(shè)計(jì)該超材料的折射率分布，可以通過一個(gè)該超材料或多個(gè)該超材料實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光的匯聚、發(fā)散、偏折等作用。
【專利說明】一種透明超材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種透明超材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超材料是一種能夠?qū)﹄姶女a(chǎn)生響應(yīng)的新型人工合成材料，由基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)組成。由于人造微結(jié)構(gòu)通常為金屬線排布成的具有一定幾何圖形的結(jié)構(gòu)，因此能夠能電磁產(chǎn)生響應(yīng)，從而使超材料整體體現(xiàn)出不同于基板的電磁特性，這樣的電磁特性能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有材料不能實(shí)現(xiàn)的特殊功能，例如實(shí)現(xiàn)電磁波的匯聚、發(fā)散等，可用在天線、雷達(dá)等電磁通訊領(lǐng)域。
[0003]理論上超材料能夠應(yīng)用在各種電磁波上，但是現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域通常只在微波等電磁通訊領(lǐng)域，而對(duì)可見光是不起作用的，這是由基板和人造微結(jié)構(gòu)的選材所限定的。通過基板與人造微結(jié)構(gòu)的特殊選材可以將超材料的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到可見光頻段。
[0004]利用透明基板以及氧化銦錫微結(jié)構(gòu)來制作超材料，可以實(shí)現(xiàn)超材料對(duì)可見光產(chǎn)生響應(yīng)并且能夠透光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種透明超材料，其能夠?qū)梢姽猱a(chǎn)生響應(yīng)并且能夠透光。
[0006]該透明超材料包括透明基板、設(shè)置在透明基板一側(cè)表面上的多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)以及覆蓋多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的透明保護(hù)層。
[0007]進(jìn)一步地，所述透明基板由聚甲基丙烯酸甲酯、透明聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯制成。
[0008]進(jìn)一步地，所述氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的厚度在4_400nm之間。
[0009]進(jìn)一步地，所述透明基板可劃分為多個(gè)相同的方形的透明基板單元，每一透明基板單元與其上的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)超材料單元，每一超材料單元的長、寬及厚度均不大于工作電磁波的波長。
[0010]進(jìn)一步地，所述多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何圖案，所述氧化銦錫微結(jié)構(gòu)具有平面雪花狀的幾何圖案，所述氧化銦錫微結(jié)構(gòu)具有相互垂直平分的第一主線及第二主線，所述第一主線與第二主線的長度相同，所述第一主線兩端連接有相同長度的兩個(gè)第一支線，所述第一主線兩端連接在兩個(gè)第一支線的中點(diǎn)上，所述第二主線兩端連接有相同長度的兩個(gè)第二支線，所述第二主線兩端連接在兩個(gè)第二金屬支線的中點(diǎn)上，所述第一支線與第二支線的長度相等。
[0011]進(jìn)一步地，所述透明保護(hù)層的材料為硫化硅橡膠。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的透明超材料，采用透明基板及氧化銦錫微結(jié)構(gòu)，由于氧化銦錫具有電學(xué)傳導(dǎo)與光學(xué)透明的雙重特性，因此由此方法制備的超材料能夠?qū)梢姽猱a(chǎn)生響應(yīng)并且能夠透光，通過設(shè)計(jì)該超材料的折射率分布，可以通過一個(gè)該超材料或多個(gè)該超材料實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光的匯聚、發(fā)散、偏折等作用。并且，在氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的上面覆蓋有透明保護(hù)層，使得氧化銦錫微結(jié)構(gòu)不會(huì)直接暴露在空氣中，有利于超材料的穩(wěn)定性。
[0013]另外本發(fā)明還提供了一種透明超材料的制備方法，包括如下步驟:
[0014]S1、在透明基板的一側(cè)表面上沉積形成氧化銦錫導(dǎo)電薄膜；
[0015]S2、蝕刻氧化銦錫導(dǎo)電薄膜以形成多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)；
[0016]S3、在多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)上覆蓋一層透明保護(hù)層。
[0017]進(jìn)一步地，所述透明保護(hù)層的材料為硫化硅橡膠，上述S3的具體步驟為:在多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)上覆蓋一層液體硅橡膠，高溫硫化或室溫放置形成硫化硅橡膠透明保護(hù)層。
[0018]進(jìn)一步地，所述氧化銦錫導(dǎo)電薄膜的厚度在4_400nm之間。
[0019]進(jìn)一步地，所述氧化銦錫導(dǎo)電薄膜采用電子束蒸發(fā)、物理氣相沉積或者磁控濺射的方法沉積到透明基板的一側(cè)表面上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0021]圖1是本發(fā)明的透明超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是圖1所示的透明超材料的一個(gè)超材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明的的透明超材料所采用的一種形式的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)；
[0024]圖4是圖3所示的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的一種衍生結(jié)構(gòu)；
[0025]圖5是圖3所示的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的一種變形結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種透明超材料，該透明超材料包括透明基板10、設(shè)置在透明基板10 —側(cè)表面上的多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)MS以及覆蓋多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)MS的透明保護(hù)層20。所述透明保護(hù)層20可以是有機(jī)保護(hù)膜，無機(jī)電鍍層等。優(yōu)選地，所述透明保護(hù)層20的材料為硫化硅橡膠，即透明保護(hù)層20為硫化硅橡膠透明保護(hù)層。
[0027]圖1采用透視畫法，以便更清楚地描述本發(fā)明的超材料。
[0028]本發(fā)明中，可以將透明超材料虛擬地劃分成多個(gè)如圖2所示的超材料單元D。如圖1及圖2所示，所述透明基板10可劃分為多個(gè)相同的方形的透明基板單元U，每一透明基板單元U與其上的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)MS構(gòu)成一個(gè)超材料單元D，每一超材料單元D的長、寬及厚度均不大于工作電磁波的波長，例如透明基板單元U為方形薄片，其長寬相等，為工作電磁波波長的十分之一，其厚度為工作電磁波波長的二十分之一。此處的工作電磁波是指超材料用作通訊器件時(shí)，其工作的中心頻率。
[0029]優(yōu)選地，透明基板上的多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)采用相同的幾何圖案。
[0030]如圖3所示，本發(fā)明的所述氧化銦錫微結(jié)構(gòu)具有平面雪花狀的幾何圖案，所述氧化銦錫微結(jié)構(gòu)具有相互垂直平分的第一主線Jl及第二主線J2，所述第一主線Jl與第二主線J2的長度相同，所述第一主線Jl兩端連接有相同長度的兩個(gè)第一支線Fl，所述第一主線Jl兩端連接在兩個(gè)第一支線Fl的中點(diǎn)上，所述第二主線J2兩端連接有相同長度的兩個(gè)第二支線F2，所述第二主線J2兩端連接在兩個(gè)第二支線F2的中點(diǎn)上，所述第一支線Fl與第二支線F2的長度相等。
[0031]圖4是圖3所示的平面雪花狀的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的一種衍生結(jié)構(gòu)。其在每個(gè)第一支線Fl及每個(gè)第二支線F2的兩端均連接有完全相同的第三支線F3，并且相應(yīng)的第三支線F3的中點(diǎn)分別與第一支線Fl及第二支線F2的端點(diǎn)相連。依此類推，本發(fā)明還可以衍生出其它形式的金屬微結(jié)構(gòu)。
[0032]圖5是圖3所示的平面雪花狀的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的一種變形結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)的金屬微結(jié)構(gòu)，第一主線Jl與第二主線J2不是直線，而是彎折線，第一主線Jl與第二主線J2均設(shè)置有兩個(gè)彎折部WZ，但是第一主線Jl與第二主線J2仍然是垂直平分，通過設(shè)置彎折部的朝向與彎折部在第一主線與第二主線上的相對(duì)位置，使得圖5所示的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)繞垂直于第一主線與第二主線交點(diǎn)的軸線向任意方向旋轉(zhuǎn)90度的圖形都與原圖重合。另外，還可以有其它變形，例如，第一主線Jl與第二主線J2均設(shè)置多個(gè)彎折部WZ。
[0033]現(xiàn)有的超材料，由于人造微結(jié)構(gòu)和基板均為不透明材料，因此主要應(yīng)用于微波波段，對(duì)可見光不能產(chǎn)生作用。本文所述的透明超材料，是指透光度達(dá)到85%以上的超材料。
[0034]本發(fā)明的透明基板，例如，可以是透明有機(jī)高分子材料。優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的透明基板3選用透明有機(jī)玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯，英文簡稱PMMA。也可以是其他的透明有機(jī)高分子材料，例如還可以是透明聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)等。這些材料通過現(xiàn)有技術(shù)的制造工藝，都可實(shí)現(xiàn)透明或半透明，使得可見光透過。
[0035]本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)為透明或半透明的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)。
[0036]氧化銦錫(ITO)是一種銦(III族)氧化物In2O3和錫(IV族)氧化物SnO2的混合物，以質(zhì)量百分比計(jì)算，通常In2O3的含量在80%?95%之間；本發(fā)明優(yōu)地，以質(zhì)量百分比計(jì)算，In2O3的含量為90%，其余的為SnO2。氧化銦錫導(dǎo)電薄膜厚度在4?400nm之間時(shí)，為透明無色，可以作為導(dǎo)電薄膜來替代銀、銅金屬絲的同時(shí)還具有很好的透光性。
[0037]氧化銦錫具有良好的電學(xué)傳導(dǎo)性，因此能夠?qū)崿F(xiàn)銀、銅等良好導(dǎo)體所能實(shí)現(xiàn)的功能，因此可替代銀、銅作為超材料中人造微結(jié)構(gòu)的原材料。
[0038]本發(fā)明還涉及一種透明超材料的制備方法，包括如下步驟:
[0039]S1、在透明基板的一側(cè)表面上沉積形成氧化銦錫導(dǎo)電薄膜；
[0040]所述氧化銦錫導(dǎo)電薄膜可以采用電子束蒸發(fā)、物理氣相沉積或者磁控濺射的方法沉積到透明基板的一側(cè)表面上。所述氧化銦錫導(dǎo)電薄膜的厚度在4-400nm之間。
[0041]S2、蝕刻氧化銦錫導(dǎo)電薄膜以形成多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)；
[0042]蝕刻的具體工藝為:
[0043]首先，利用計(jì)算機(jī)軟件仿真(例如CST)得到實(shí)現(xiàn)某一特定功能的超材料的所需要的整體折射率分布，將超材料虛擬地劃分成多個(gè)如圖2所示的超材料單元D，將整體的折射率分布分解到每一個(gè)超材料單元，得到超材料單元的折射率空間排布。
[0044]然后,確定透明基板的材質(zhì)、氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的材質(zhì)(組分),通過仿真確定超材料上每一折射率對(duì)應(yīng)的超材料單元的具體形態(tài)，即每一超材料單元上的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的尺寸、幾何圖案，這樣，所有氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的整體幾何圖案即能在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)出來，依照該整體幾何圖案制作出蝕刻用的掩模(掩模非鏤空的部位即為所有氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的整體幾何圖案)。[0045]最后，將掩模覆蓋在SI步驟中形成的氧化銦錫導(dǎo)電薄膜上，再接觸化學(xué)溶液，氧化銦錫導(dǎo)電薄膜上鏤空的部分被溶解掉，進(jìn)而得到了需要的多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)，從而制造出我們需要的超材料，可以通過一個(gè)該超材料或多個(gè)該超材料實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光的匯聚、發(fā)散、偏折等作用。優(yōu)選地，為了降低掩模的加工難度，透明基板上的多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)采用相同的幾何圖案。
[0046]S3、在多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)上覆蓋一層透明保護(hù)層。
[0047]本發(fā)明中，所述透明保護(hù)層的材料為硫化硅橡膠，上述S3的具體步驟為:在多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)上覆蓋一層液體硅橡膠，高溫硫化或室溫放置形成硫化硅橡膠透明保護(hù)層。
[0048]在多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)上覆蓋一層液體硅橡膠的方法可以是浸潰、噴淋、絲印等。
[0049]上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實(shí)施方式】，上述的【具體實(shí)施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種透明超材料，其特征在于，包括透明基板、設(shè)置在透明基板一側(cè)表面上的多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)以及覆蓋多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的透明保護(hù)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述透明基板由聚甲基丙烯酸甲酯、透明聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述氧化銦錫微結(jié)構(gòu)的厚度在4-400nm 之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述透明基板可劃分為多個(gè)相同的方形的透明基板單元，每一透明基板單元與其上的氧化銦錫微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)超材料單元，每一超材料單元的長、寬及厚度均不大于工作電磁波的波長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何圖案，所述氧化銦錫微結(jié)構(gòu)具有平面雪花狀的幾何圖案，所述氧化銦錫微結(jié)構(gòu)具有相互垂直平分的第一主線及第二主線，所述第一主線與第二主線的長度相同，所述第一主線兩端連接有相同長度的兩個(gè)第一支線，所述第一主線兩端連接在兩個(gè)第一支線的中點(diǎn)上，所述第二主線兩端連接有相同長度的兩個(gè)第二支線，所述第二主線兩端連接在兩個(gè)第二金屬支線的中點(diǎn)上，所述第一支線與第二支線的長度相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述透明保護(hù)層的材料為硫化硅橡膠。
7.—種透明超材料的制備方法，包括如下步驟: 51、在透明基板的一側(cè)表面上沉積形成氧化銦錫導(dǎo)電薄膜； 52、蝕刻氧化銦錫導(dǎo)電薄膜以形成多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)； 53、在多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)上覆蓋一層透明保護(hù)層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的透明超材料，其特征在于，所述透明保護(hù)層的材料為硫化硅橡膠，上述S3的具體步驟為:在多個(gè)氧化銦錫微結(jié)構(gòu)上覆蓋一層液體硅橡膠，高溫硫化或室溫放置形成硫化硅橡膠透明保護(hù)層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的透明超材料，其特征在于，所述氧化銦錫導(dǎo)電薄膜的厚度在4-400nm 之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的透明超材料，其特征在于，所述氧化銦錫導(dǎo)電薄膜采用電子束蒸發(fā)、物理氣相沉積或者磁控濺射的方法沉積到透明基板的一側(cè)表面上。
【文檔編號(hào)】G02B3/00GK103675956SQ201210317245
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月31日
【發(fā)明者】劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 黃新政 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司