專利名稱：一種具有高介電常數(shù)的超材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超材料領域，更具體地說，涉及一種具有高介電常數(shù)的超材料。
背景技術：
介電常數(shù)是材料對電場響應的一個參數(shù)，材料在外加電場時會產(chǎn)生感應電荷而削弱電場，原真空中的外加電場與最終材料中電場的比值即為介電常數(shù)。自然界中，任何一種材料在特定的條件下，都有它特定的介電常數(shù)值或者介電常數(shù)曲線。介電常數(shù)較高的材料放在電場中，場的強度會在電介質材料內(nèi)有可觀的下降。介電常數(shù)高的材料，如介電絕緣體，通常用來制造電容。而且在高介電常數(shù)材料中，電磁波波長很短，可以大大縮小射頻及微波器件的尺寸。隨著技術日新月異的發(fā)展，人們對材料的應用要求越來越高，在某些場合，所需要的介電常數(shù)值遠高于自然界已有的材料的介電常數(shù)值，現(xiàn)有的介電常數(shù)較高的介電絕緣體也不能達到要求，這將為技術和產(chǎn)品研發(fā)造成瓶頸。因此，人們轉向人工制造的超材料，以期實現(xiàn)上述技術目的。超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構材料，通過對微結構的有序排列，改變了空間中每點的相對介電常數(shù)和磁導率。超材料可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)普通材料無法具備的介電常數(shù)和磁導率，從而可以有效控制電磁波的傳播特性。超材料包括由金屬線構成的具有一定圖案形狀的的人造微結構和人造微結構所附著的基材，多個人造微結構在基材上陣列排布，基材對人造微結構起到支撐作用，可為任何與人造微結構不同的材料。這兩種材料的疊加會在空間中產(chǎn)生一個等效介電常數(shù)與磁導率，這兩個物理參數(shù)分別對應了材料整體的電場響應與磁場響應。超材料對電磁響應的特征是由人造微結構的特征所決定，而人造微結構的電磁響應很大程度上取決于其金屬線的拓撲特征和超材料單元尺寸。超材料單元尺寸取決于人造微結構需要響應的電磁波，通常人造微結構的尺寸為所需響應的電磁波波長的十分之一，否則空間中由人造微結構所組成的排列在空間中不能被視為連續(xù)。目前超材料生產(chǎn)工藝中通常采用如圖I所示的“I”形人造微結構去改變空間中的介電常數(shù)分布。超材料可以看作由附著人造微結構的基材單元陣列排布而成，單個基材單元的尺寸通常為電磁波波長的五分之一到十分之一之間，在有限的空間中“I”形人造微結構的尺寸改變的范圍有限，超材料單元的介電常數(shù)可改變的范圍也是有限的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種具有高介電常數(shù)的超材料。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括基材和附著在所述基材上的多個人造微結構，所述人造微結構包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，還包括至少一個一端與所述第一金屬線相連另一端為自由端且朝向第二金屬線的第一金屬線分支，以及至少一個一端與所述第二金屬線相連另一端為自由端且朝向第一金屬線的第二金屬線分支，所述第一金屬線分支和所述第二金屬線分支依次交錯分布。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，還包括多個第三金屬線，垂直于所述第一金屬線方向的相鄰的兩個金屬微結構通過所述第三金屬線相連。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述第三金屬線為直線或者為彎折的曲線形。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述第一金屬線分支與所述第二金屬線分支的數(shù)量相同。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述第一金屬線分支與所述第二金屬線分支的數(shù)量不同。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述第一金屬線分支和所述第二金屬線分支分別與所述第一金屬線和所述第二金屬線垂直。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述第一金屬線分支和所述第二金屬線分支依次交錯均勻分布。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述基材劃分為多個相同的立方體基材單元，每個基材單元上附著有一個所述人造微結構。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述人造微結構通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻附著于所述基材上。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述基材為陶瓷材料、高分子材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。實施本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明通過改變現(xiàn)有人造微結構的形狀，在每個人造微結構中構造依次交錯分布的第一金屬線分支和第二金屬線分支，增加了金屬線的正對面積，從而提高了人造微結構的電容，進而提高了超材料的介電常數(shù)和折射率，經(jīng)過仿真，結果顯示，在非常寬的一段頻率上，具有這種人造微結構的超材料的介電常數(shù)非常平穩(wěn)，而且與具有“I”形人造微結構的超材料相比，介電常數(shù)和折射率有非常顯著地提高。這種高介電常數(shù)的超材料可以應用在天線制造以及半導體制造等領域，而且該技術方案由于突破了現(xiàn)有技術中單位體積內(nèi)介電常數(shù)受限的缺陷，對微波器件的小型化產(chǎn)生也會產(chǎn)生不可估量的作用。


下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖I是現(xiàn)有技術中“I”形人造微結構的示意圖；圖2是本發(fā)明實施例一提出的超材料的結構示意圖；圖3是本發(fā)明實施例一中的人造微結構的結構示意4是本發(fā)明實施例二提出的超材料的結構示意圖；圖5是本發(fā)明實施例二中相鄰的兩個人造微結構的結構示意圖；圖6是本發(fā)明實施例三提出的超材料的結構示意圖；圖7是本發(fā)明實施例三中相鄰的兩個人造微結構的結構示意圖。
具體實施例方式實施例一如圖2和圖3所示，本實施例提供了一種新型的超材料，相對于現(xiàn)有的超材料，通過改變其中人造微結構的拓撲形狀提高了超材料的介電常數(shù)。如圖2所示，超材料包括三個超材料片層1，三個超材料片層I沿垂直于基板平面的方向(z軸方向)依次堆疊，超材料片層I之間填充可連接二者的物質例如液態(tài)基板原料，其在固化后將相鄰的兩超材料片層I粘合，從而構成一個整體。每個超材料片層I包括基板和附著在基板上的人造微結構，基板可由FR-4、F4b、CEMl、CEM3或者TP-I等高介電常數(shù)陶瓷材料構成，也可以是高分子材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料等； 人造微結構通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻附著于基材上。將每個超材料片層I虛擬地劃分成多個完全相同的相互緊挨著的立方體超材料單元3，這些超材料單元3以X軸方向為行、以與之垂直的y軸方向為列依次陣列排布。每個超材料單元3包括人造微結構2和人造微結構所附著的基材單元，超材料單元3的邊長通常為入射電磁波波長的五分之一到十分之一之間。如圖3所示，本實施例的超材料可看作是由多個超材料單元3沿x、y、z三個方向陣列排布而成。人造微結構如圖3所示，每個人造微結構包括相互平行的第一金屬線al和第二金屬線a2，還包括8個一端與所述第一金屬線al相連另一端為自由端且朝向第二金屬線a2 的第一金屬線分支bl,以及8個一端與所述第二金屬線a2相連另一端為自由端且朝向第一金屬線al的第二金屬線分支b2，第一金屬線分支bl和第二金屬線分支b2依次交錯均勻分布。其中第一金屬線分支bl和第二金屬線分支b2分別與第一金屬線al和第二金屬線a2 垂直。實施例二如圖4和圖5所示，超材料包括三個超材料片層1，三個超材料片層I沿垂直于基板平面的方向(z軸方向)依次堆疊；將每個超材料片層I虛擬地劃分成多個完全相同的相互緊挨著的立方體超材料單元3，這些超材料單元3以X軸方向為行、以與之垂直的y軸方向為列依次陣列排布。每個超材料單元3包括人造微結構2和人造微結構所附著的基材單元，超材料單元3的邊長通常為入射電磁波波長的五分之一到十分之一之間。如圖4所示， 本實施例的超材料可看作是由多個超材料單元3沿x、y、z三個方向陣列排布而成。相鄰的兩個人造微結構的結構示意圖如圖5所示，兩個人造微結構通過第三金屬線c相連，第三金屬線c是直線形，每個人造微結構包括相互平行的第一金屬線al和第二金屬線a2，還包括8個一端與所述第一金屬線al相連另一端為自由端且朝向第二金屬線 a2的第一金屬線分支bl，以及8個一端與所述第二金屬線a2相連另一端為自由端且朝向第一金屬線al的第二金屬線分支b2，第一金屬線分支bl和第二金屬線分支b2依次交錯均勻分布。其中第一金屬線分支bl和第二金屬線分支b2分別與第一金屬線al和第二金屬線a2垂直。實施例三如圖6和圖7所示，超材料包括三個超材料片層1，三個超材料片層I沿垂直于基板平面的方向(z軸方向)依次堆疊；將每個超材料片層I虛擬地劃分成多個完全相同的相互緊挨著的立方體超材料單元3，這些超材料單元3以X軸方向為行、以與之垂直的y軸方CN 102544739 A
向為列依次陣列排布。每個超材料單元3包括人造微結構2和人造微結構所附著的基材單元，超材料單元3的邊長通常為入射電磁波波長的五分之一到十分之一之間。如圖6所示， 本實施例的超材料可看作是由多個超材料單元3沿x、y、z三個方向陣列排布而成。相鄰的兩個人造微結構的結構示意圖如圖7所示，兩個人造微結構通過第三金屬線c相連，第三金屬線c是彎折的曲線形，每個人造微結構包括相互平行的第一金屬線al 和第二金屬線a2，還包括8個一端與所述第一金屬線al相連另一端為自由端且朝向第二金屬線a2的第一金屬線分支bl，以及8個一端與所述第二金屬線a2相連另一端為自由端且朝向第一金屬線al的第二金屬線分支b2,第一金屬線分支bl和第二金屬線分支b2依次交錯均勻分布。其中第一金屬線分支bl和第二金屬線分支b2分別與第一金屬線al和第二金屬線a2垂直。上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)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(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多變形，比如第一分支的數(shù)量可以與第二分支的數(shù)量不同、在第一金屬線和第二金屬線上可以連接上其他幾何形狀的金屬線等均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權利要求
1.一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括基材和附著在所述基材上的多個人造微結構，其特征在于，所述人造微結構包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，還包括至少一個一端與所述第一金屬線相連另一端為自由端且朝向第二金屬線的第一金屬線分支，以及至少一個一端與所述第二金屬線相連另一端為自由端且朝向第一金屬線的第二金屬線分支，所述第一金屬線分支和所述第二金屬線分支依次交錯分布。
2.根據(jù)權利要求I所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，還包括多個第三金屬線，垂直于所述第一金屬線方向的相鄰的兩個金屬微結構通過所述第三金屬線相連。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第三金屬線為直線或者為彎折的曲線形。
4.根據(jù)權利要求I所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第一金屬線分支與所述第二金屬線分支的數(shù)量相同。
5.根據(jù)權利要求I所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第一金屬線分支與所述第二金屬線分支的數(shù)量不同。
6.根據(jù)權利要求I所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第一金屬線分支和所述第二金屬線分支分別與所述第一金屬線和所述第二金屬線垂直。
7.根據(jù)權利要求I至6任一所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第一金屬線分支和所述第二金屬線分支依次交錯均勻分布。
8.根據(jù)權利要求7所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述基材劃分為多個相同的立方體基材單元，每個基材單元上附著有一個所述人造微結構。
9.根據(jù)權利要求8所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述人造微結構通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻附著于所述基材上。
10.根據(jù)權利要求9所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述基材為陶瓷材料、高分子材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括基材和附著在基材上的多個人造微結構，所述人造微結構包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，還包括至少一個一端與所述第一金屬線相連、另一端為自由端且朝向第二金屬線的第一金屬線分支；以及至少一個一端與所述第二金屬線相連、另一端為自由端且朝向第一金屬線的第二金屬線分支，所述第一金屬線分支和所述第二金屬線分支依次交錯分布。具有這種人造微結構的超材料的介電常數(shù)得到了大幅的提高。
文檔編號H01Q15/00GK102544739SQ20111013178
公開日2012年7月4日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權日2011年5月20日
發(fā)明者何方龍, 劉若鵬, 寇超峰, 欒琳 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院