CN102303429A - 一种可调谐的平板电磁波吸收材料 - Google Patents

Abstract

一种可调谐的平板电磁波吸收材料，属于电磁功能材料技术领域。包括金属反射层、介质层、氧化钒相变材料层和超颖材料层；介质层位于金属反射层和氧化钒相变材料层之间，氧化钒相变材料层位于介质层和超颖材料层之间。本发明在三层式电磁波吸收材料的超颖材料层和介质层之间，插入氧化钒相变薄膜，利用热、电或光触发相变过程来控制电磁波吸收材料的吸收效率和吸收频率。本发明结构简单、易于制备；具有吸收幅度和吸收频率可调的特性，调制深度可以达到70％以上；且调制手段多样的特点，可以借助于热或电或者激光等多种手段来实现太赫兹波吸收的调制；可用于微波、太赫兹波以及光波段的电磁保护、隐身技术、波谱探测以及热辐射等。

Description

一种可调谐的平板电磁波吸收材料

技术领域

本发明属于电磁功能材料技术领域，涉及电磁波吸收材料，特别涉及可调谐的电磁波平面型吸收材料。

背景技术

超颖材料(Metamaterial)，或者又叫特异材料，是一种由亚波长人工单元按照一定规律排列所构成的人工电磁煤质。其中由于人工单元的尺寸远小于工作波长，因此相对于工作波长而言是一种性能均匀的材料。超颖材料的优点在于可以通过调节人工单元的结构、尺寸和分布形式来任意控制材料的电磁属性，从而获得多种新颖的特性。例如利用超颖材料可以制备左手材料，完美透镜以及光波段的隐身衣等。而这些特性，是自然物质没有或者很难实现的。组成超颖材料的最常用的人工单元包括有限长线条(Cut Wires)和开口环共振器(Split RingResonator，SRR)等。

2008年美国波士顿大学H.Tao等人利用Metamaterial设计了一类三层式的电磁波吸收材料，该材料具有接近100％的电磁波窄带吸收效率，被称为完美吸收材料(Perfect absorber)。以一个典型的单元为例，这种吸收材料具有三层结构，其中底层为长方形的金属条，第二层为隔离层(例如聚酰亚胺介质层)，第三层为Metamaterial。2008年提出的这种吸收材料在制备过程中需要多步光刻以及对准等过程，研制相对复杂，其最大吸收率达到70％。随后，H.Tao等人提出了一种改进型的基于Metamaterial的电磁波吸收材料，与第一种材料的区别是其底层的金属条变成了连续金属薄膜。这类吸收材料在制备上只需要一道光刻步骤，简化了光刻工艺以及对准过程，因而其制备更加容易。同时，这种材料因为引入了连续金属薄膜作为底层，电磁波不能够穿过整个材料，使得这种吸收材料对0-50度角入射的电磁波均具有90％以上的强吸收。

基于Metamaterial的三层式电磁波吸收材料的吸收机理如下：首先，通过设计和优化Metamaterial人工单元的结构、尺寸和排列方式，调节吸收材料在某个特定频率(称为中心吸收频率)的阻抗Z(w)与自由空间相匹配(即吸收材料的有效介电常数ε_eff与有效磁导率μ_eff相等)，这时该频段的电磁波完全进入吸波材料中而几乎不被反射，因此反射率R接近于零；其次，底层金属平面层使得电磁波不能透过该材料，使得透射率也为零。这样，电磁波就会被完全限制在该材料的内部直至被介质层或者金属层完全损耗。理论上该材料可以实现窄带的100％的电磁波吸收。而中心频率是由超颖材料对入射电磁波的电感-电容谐振(LC谐振)频率所决定的。通过适当的缩小和放大材料的尺寸，这种接近完美吸收的新型材料可以应用于微波，太赫兹波甚至光波段。在电磁波吸收、抗电磁干扰、隐身技术、相位成像，光谱检测以及热发射等领域均具有十分重要的价应用值。

然而，目前已有的基于Metamaterials的电磁波吸收材料都是被动式的，一旦制备完成之后，其吸收性能也就确定了。而目前日益复杂的电磁应用环境需要主动式的可调谐吸收材料，例如可以根据电磁环境的变化改变吸收频率，或者实现对电磁波吸收程度的控制等等。

发明内容

本发明提供一种可调谐的平板电磁波吸收材料，该电磁波吸收材料在现有基于Metamaterial的三层式电磁波吸收材料基础上，增加了一层氧化钒相变材料，借助于热、电场或者激光调制，通过触发氧化钒相变材料的绝缘-金属相变，可实现从电磁波吸收器向反射器的变换，获得高达70％的电磁波吸收幅度调制。该材料可用于微波、太赫兹波以及光波段的电磁保护、隐身技术、波谱探测以及热辐射等。

本发明技术方案为：

一种可调谐的平板电磁波吸收材料，如图1所示，包括金属反射层2、介质层3、氧化钒相变材料层4和超颖材料层5；其中，介质层3位于金属反射层2和氧化钒相变材料层4之间，氧化钒相变材料层4位于介质层3和超颖材料层5之间。所述金属反射层2为连续金属薄膜，其厚度大于所述平板电磁波吸收材料工作电磁波的趋肤深度，起到阻止电磁波透射的作用；所述介质层3可以采用聚合物介质材料、无机陶瓷介质材料、玻璃类非晶材料或者常用的单晶基片材料；所述氧化钒相变材料层4由薄膜制备工艺制备于介质层3表面，具备绝缘相-金属相的相变特征；所述即超颖材料层5是由金属薄膜制备工艺及光刻工艺制备于氧化钒相变材料层4表面的、亚波长尺度的金属人工结构单元周期性排列而成。所述亚波长尺度的金属人工结构单元可以是各种开口环共振器(SRR)，或者金属线条(Cut-wires)等。

上述平板电磁波吸收材料，在金属反射层2的背面还可增加一层衬底支撑层1，衬底支撑层1在结构中仅起到支撑作用，具体材料可采用各种常用的单晶或多晶基片。

本发明的核心思想是在三层式电磁波吸收材料的超颖材料层和介质层之间，插入了一层绝缘-金属相变薄膜层，利用热或者电或者光触发相变薄膜的相变过程来控制电磁波吸收材料的吸收效率和吸收频率。采用氧化钒薄膜作为相变材料层，是因为氧化钒薄膜是一种室温高速相变材料，具有绝缘体-金属相变特性，在金属化相变前为单斜系的绝缘材料，而在金属化相变之后即转变为金红石结构的金属相。伴随着从绝缘体到金属的相变过程，氧化钒相变薄膜的电导率发生1000-10000倍的巨大变化，介电和光学性能也发生显著的变化。

本发明提供的一种可调谐的平板电磁波吸收材料，其工作原理如下：当氧化钒相变薄膜处于绝缘相时，其作用等同于介质层，通过对超颖材料的合理设计实现吸收材料与自由空间的阻抗匹配(即ε_eff＝μ_eff)，即形成一个基于Metamaterial的电磁波吸收材料，可以在某些特定频段实现接近完全的电磁波吸收。在外场刺激下，当氧化钒相变薄膜层从绝缘态转变为金属相时，阻抗匹配条件被破坏，导致电磁波被强烈反射，因此电磁波吸收大大降低；而当氧化钒相变薄膜层从金属相又转变为绝缘相时，即恢复成电磁波吸收材料。同时，金属化氧化钒薄膜使得人工单元的电容部分被短接，超颖材料的电感-电容谐振(LC谐振)发生改变，导致吸收频率发生移动。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、相对于现有的基于超颖材料的电磁波吸收器，本发明具有吸收幅度和吸收频率可调的特性；

2、发明所提供的可调谐平板电磁波吸收材料，具有调制幅度大的优点，调制深度可以达到70％以上；

3.本发明提供的可调谐平板电磁波吸收器，具有调制手段多样的特点，可以借助于热或电或者激光等多种手段来实现太赫兹波吸收的调制；

4.本发明提供的可调谐平板电磁波吸收材料，还具有结构简单和易于制备等特点。

附图说明

图1是本发明提供的可调谐的平板电磁波吸收材料的基本结构示意图。其中2为金属反射层，3为介质层，4为氧化钒相变材料层，5为超颖材料层。

图2是本发明提供的具有单独衬底结构的可调谐的平板电磁波吸收材料的结构示意图。其中1为衬底层。

图3是本发明提供的可调谐的平板电磁波吸收材料可以采用的部分超颖材料人工单元结构：(a)单开口SRR，(b)线条型，和(c)双开口SRR。其中(c)为本发明的具体实施方式所采用的超颖材料人工单元结构。

图4是本发明的具体实施方式所采用的氧化钒相变薄膜的电阻率随温度变化的情况。

图5是本发明的具体实施方式的微波反射率S11谱线的(a)仿真结果和和(b)实测结果(室温下)；

图6是本发明的具体实施方式在测试温度从300K变化到345K时，微波反射率随温度的变化情况。(a)为低频吸收情况；(b)为高频吸收情况。

图7是本发明的具体实施方式的反射幅度和吸收频率与温度的关系。其中插图是337K到345K温度区间反射幅度和吸收频率与温度的关系。

具体实施方式

下面以微波段双频吸收材料和温度控制方法为例，具体说明该本发明所提供的可调谐电磁波吸收材料的制备和实施过程：

步骤一：结构设计过程：利用商用软件Microwave Studio CST，建立基于超材料的电磁波吸收材料的结构模型，优化结构尺寸参数以使材料工作在需要频段，并在需要的频率点上获得最佳吸收效果。

在微波频段，由于介质层厚度可以达到几百个微米以上，这时候介质层即可支撑整个材料，因此衬底层不再需要。图3(c)给出了本具体实施方式中所采用的单个人工单元的结构。该人工单元具有两种不同类型的金属开口，将形成两个LC谐振。其中内部中心位置的开口环产生高频共振，而外面的两个金属开口共同产生低频共振。设计的吸收材料结构为：金属反射层厚度为0.8微米厚的Cu层，介质层为500微米的c-Al₂O₃蓝宝石单晶基片，氧化钒相变材料层厚度为200nm，超颖材料人工单元为0.2微米厚的Cu层。通过设计得到的人工单元尺寸为：a＝2mm，b＝4mm，d＝0.1mm，h＝1.8mm，l＝1mm，t₁＝t₂＝0.2mm，t₃＝0.3mm，t₄＝0.5mm。单元阵列的周期为3mm×5mm.

步骤二：氧化钒相变薄膜制备过程：利用射频磁控溅射方法，由金属钒(V)靶材在Al₂O₃蓝宝石单晶基片上沉积200nm厚的氧化钒相变薄膜，工作气体为O₂/Ar混合气体，溅射温度为500摄氏度。图4给出了该薄膜随温度变化的电阻变化曲线，表明该材料在340K(67℃)附近发生了绝缘体-金属相变，薄膜的电阻率由300K时的1350Ωcm大幅降低到345K(72℃)时的19Ωcm，降幅达到3个数量级。

步骤三：吸收材料制备过程：在制备成功氧化钒相变薄膜之后，利用磁控溅射方法在氧化钒相变薄膜上沉积0.2微米厚的Cu层，并利用传统光刻工艺刻蚀出如图3所示的周期阵列。最后，在c-Al₂O₃蓝宝石单晶基片的背面沉积0.8微米的Cu层作为金属反射层。

步骤四：吸收性能测试过程。利用拱形天线测试装置对材料的S11反射系统进行测量。其中Agilent8720E7矢量网络分析仪提供2-20GHz的扫频入射电磁波。样品是放置在一个可控加热平台上，该加热平台的温度可以在室温到100℃之间快速加热和冷却。

图5给出了测试得到的微波反射率与理论计算反射曲线S₁₁的对比情况，吸收强度由1-|S₁₁|²计算得到。可以看到我们所设计的吸收材料具有双频吸收特性，该双频吸收跟超颖材料的双频LC谐振相对应。仿真结果显示这两个吸收峰分别在9.03GHz和17.6GHz，吸收效率分别为92.7％和99.4％。而测试结果显示两个吸收峰分在9.3GHz和18.6GHz附近，吸收效率分别为84％和92％。实验与计算结果的差异主要来源于样品加工误差和测试误差。

图6给出本发明提供的可调谐平板电磁波吸收材料实施的实测结果。本实例中采用两个吸收峰是为了对吸收材料的可调谐性进行对比和说明。可以看到，在室温下，吸收材料具有很强的双频吸收。随着温度的升高，两个吸收峰均发生了变化。对于低频吸收，随着温度从300K升高到345K，其吸收强度从84％降低到70％，中心吸收频率从9.36GHz蓝移到9.9GHz。而对于高频吸收，随着温度的升高，其吸收强度快速降低，从300K下的92.2％降低到24％，绝对调谐幅度达到68％，相对调谐幅度达到74％。同时，其中心吸收频率从18.6GHz蓝移到19.12GHz。因此，利用本发明所提供的可调谐吸收材料可以实现电磁波吸收幅度和吸收频率的调谐。

图7给出了反射幅度和吸收频率与温度的对应关系。可以看到，吸收幅度和吸收频率发生显著变化对应的温度范围为337K(64℃)到345K(72℃)，正好是氧化钒相变薄膜相变温度区间。这表明氧化钒相变薄膜的绝缘-金属相变所引起的电导率和介电常数的巨大变化，是导致本发明所提供的吸收材料具有可调谐性的根本原因。

Claims (10)

1.一种可调谐的平板电磁波吸收材料，包括金属反射层(2)、介质层(3)、氧化钒相变材料层(4)和超颖材料层(5)；其中，介质层(3)位于金属反射层(2)和氧化钒相变材料层(4)之间，氧化钒相变材料层(4)位于介质层(3)和超颖材料层(5)之间。

2.根据权利要求1所述的可调谐的平板电磁波吸收材料，其特征在于，所述金属反射层(2)为连续金属薄膜，其厚度大于所述平板电磁波吸收材料工作电磁波的趋肤深度。

3.根据权利要求1所述的可调谐的平板电磁波吸收材料，其特征在于，所述介质层(3)为聚合物介质材料、无机陶瓷介质材料、玻璃类非晶材料或者常用的单晶基片材料。

4.根据权利要求1所述的可调谐的平板电磁波吸收材料，其特征在于，所述氧化钒相变材料层(4)由薄膜制备工艺制备于介质层(3)表面，具备绝缘相-金属相的相变特征。

5.根据权利要求1所述的可调谐的平板电磁波吸收材料，其特征在于，所述即超颖材料层(5)是由金属薄膜制备工艺及光刻工艺制备于氧化钒相变材料层(4)表面的、亚波长尺度的金属人工结构单元周期性排列而成。

6.根据权利要求5所述的可调谐的平板电磁波吸收材料，其特征在于，所述亚波长尺度的金属人工结构单元是各种开口环共振器或者金属线条。

7.根据权利要求1、2、4、5或6所述的可调谐的平板电磁波吸收材料，其特征在于，所述平板电磁波吸收材料的金属反射层(2)的背面还具有一层衬底支撑层(1)。

8.根据权利要求7所述的可调谐的平板电磁波吸收材料，其特征在于，所述衬底支撑层(1)采用各种单晶或多晶衬底材料。

9.根据权利要求3所述的可调谐的平板电磁波吸收材料，其特征在于，所述平板电磁波吸收材料的金属反射层(2)的背面还具有一层衬底支撑层(1)。

10.根据权利要求9所述的可调谐的平板电磁波吸收材料，其特征在于，所述衬底支撑层(1)采用各种单晶或多晶衬底材料。

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