CN102694266B - 一种人工合成材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种人工合成材料，所述人工合成材料包括基板及多个人造微结构，基板分成多个结构单元，所述多个人造微结构设置于基板的多个结构单元中，其中人造微结构包括多组线段组，多组线段组包括建立在三维笛卡儿坐标系基础上的第一线段组。本发明人工合成材料采用雪花型人造微结构和基板构成人工合成材料，并根据实际需要设置所述多个微结构为一维、二维或者三维的结构。本发明人工合成材料是具有特殊电磁效应的新型材料，其电磁效应的特征是由其微结构的特征决定。所述人工合成材料可替代现有的电磁材料应用到各种电磁波的应用系统。

Description

一种人工合成材料

技术领域

本发明涉及一种材料，特别是涉及一种人工合成材料。

背景技术

超材料(metamaterial)是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。超材料的三个重要特征包括：

(1)超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)超材料具有超常的物理性质(这种性质往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)超材料的性质往往不决定于构成材料的本征性质，而主要决定于其中的人工结构。

即超材料是一种以人造结构为基本单元并以特定方式进行空间排布的材料，且该材料是一种具有特殊电磁效应的新型材料，其电磁效应的特征是由其人造结构的特征所决定。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

超材料包括人造结构，其中人造结构的电磁响应很大程度上取决于人造结构的拓扑特征与结构单元尺寸。

超材料还包括人造结构所附着的基质材料，该基质材料对人造结构起到支撑作用，因此可为任何与人造结构不同的材料。

该人造结构和该基质材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数ξ与磁导率μ，而这两个物理参数分别对应了超材料的电场响应与磁场响应。因此，超材料人造结构的设计是超材料领域最关键的环节。如何实现一种超材料，进一步改进现有电磁材料的电磁特性，并替代现有电磁材料实现应用，成为现代技术发展的一大难题。

发明内容

本发明提供一种人工合成材料，能够改进电磁材料的电磁特性，替代现有电磁材料应用到各种电磁波的应用系统。

一种人工合成材料，其中，该人工合成材料包括：基板及多个人造微结构，基板分成多个结构单元，多个人造微结构设置于基板的多个结构单元中，其中该人造微结构包括多组线段组，该多组线段组包括建立在三维笛卡儿坐标系基础上的第一线段组。

作为上述人工合成材料的进一步改进，该第一线段组包括在该三维笛卡儿坐标系的X轴上截取的第一线段A、在Y轴上截取的第一线段B和在Z轴上截取的第一线段C。

作为上述人工合成材料的进一步改进，该多组线段组包括n组线段组，该第n线段组垂直设置在该第n-1线段组的每一线段的末端。

作为上述人工合成材料的进一步改进，人造微结构为雪花型结构。

作为上述人工合成材料的进一步改进，该多组线段组的每一线段组的线段长度相等或相异。

作为上述人工合成材料的进一步改进，多组线段组的材料包括金属，基板包括绝缘的介电材料。

作为上述人工合成材料的进一步改进，人造微结构通过光刻、蚀刻工艺附着在该结构单元上。

作为上述人工合成材料的进一步改进，结构单元的尺寸等于或者小于所响应的电磁波波长λ的十分之一。

作为上述人工合成材料的进一步改进，人工合成材料的介电常数和磁导率都小于0。

本发明人工合成材料采用雪花型人造微结构和基板构成人工合成材料，并根据实际需要设置该多个微结构为一维、二维或者三维的结构。本发明人工合成材料是具有特殊电磁效应的新型材料，其电磁效应的特征是由其微结构的特征决定。该人工合成材料可替代现有的电磁材料应用到各种电磁波的应用系统。

附图说明

图1示出了根据本发明的人工合成材料；

图2示出了图1中的本发明人工合成材料的人造微结构的第一衍生结构；

图3示出了图1中的本发明人工合成材料的人造微结构的第二衍生结构；

图4是根据本发明具有第二衍生结构的人工合成材料的一个结构单元的示意图；

图5是本发明具有第二衍生结构的人工合成材料的一维结构示意图；

图6是本发明具有第二衍生结构的人工合成材料的二维结构示意图；

图7示出了图1中的本发明人工合成材料的人造微结构的第三衍生结构；

图8是本发明的人工合成材料的介电常数ξ与电磁波频率f的ξ-f关系示意图；

图9是本发明的人工合成材料的磁导率μ与电磁波频率f的μ-f关系示意图；以及

图10是本发明人工合成材料的工作频率范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

为了改进现有技术的电磁材料的电磁特性，本发明提供一种人工合成材料，并替代现有电磁材料应用到各种电磁波的应用系统。

请参阅图1，图1示出了根据本发明的人工合成材料。该人工合成材料100包括基板101，将该基板101划分成多个结构单元103，如图1中由虚线及该基板101边缘划分出的部分。根据本发明的人工合成材料100还包括多个人造微结构102，该多个人造微结构102分别设置在该多个结构单元103中。在本发明的实施方式中，该基板101采用聚四氟乙烯，在本发明的其他实施方式中，该基板101还可以采用陶瓷等绝缘材料。该结构单元103及该人造微结构102的尺寸可以根据需要进行调整。例如，当该人工合成材料需要对波长为λ的电磁波产生响应时，则该结构单元103及该人造微结构102的尺寸设置成小于波长λ的十分之一。为了简化制备工艺，该结构单元103及该人造微结构102的尺寸优选地为波长λ的十分之一数量级。例如，在本实施方式中，需要对波长为3cm的电磁波产生特别响应，因而该结构单元103及该人造微结构102的尺寸设置成1.5mm～3mm，优选地设置成1.5mm。

参考图2，图2示出了图1中的人造微结构的第一衍生结构，由图2可知，该人造微结构102的第一衍生结构为“+”字型。图2所示，首先建立一三维笛卡儿坐标系，该坐标系具有相互垂直且共交点的3个坐标轴X、Y、Z。根据本发明的该人造微结构102的第一衍生结构包括分别在X、Y和Z轴上各截取长度分别为a、b和c的第一线段组，该第一线段组包括第一线段A、第一线段B和第一线段C，且该第一线段A、第一线段B和第一线段C的中点均在该三维坐标系的原点O上(未标示)，对应地，第一线段A的长度为a、第一线段B的长度为b，第一线段C的长度为c，该第一线段A、B、C组合成本发明的该人造微结构102的第一衍生结构。

图3示出了本发明人工合成材料的人造微结构的第二衍生结构。参考图2及图3，本发明人工合成材料的该人造微结构的第二衍生结构是在图2所示的第一衍生结构的基础上衍生而来。在图2所示的第一衍生结构中，在第一线段组的每一线段末端设置一组垂直于该线段的第二线段组，其中，第一线段A的两端设置长度为d1的第二线段D1、长度为d2的第二线段D2，第一线段B的两端设置长度为e1的第二线段E1、长度为e2的第二线段E2，第一线段C的两端设置长度为f1的第二线段F1、长度为f2的第二线段F2，从而形成根据本发明的人造微结构102的第二衍生结构。

请参阅图3至图6，图3示出了本发明人工合成材料的人造微结构的第二衍生结构，图4是根据本发明具有第二衍生结构的人工合成材料的一个结构单元的示意图，图5是本发明具有第二衍生结构的人工合成材料的一维结构示意图，图6是本发明具有第二衍生结构的人工合成材料的二维结构示意图。当然，具有本发明的第二衍生结构的人工合成材料也可以有三维结构，只需将图6中具有第二衍生结构的人工合成材料的二维结构堆叠，即可获得具有三维结构的人工合成材料。

再请参阅图3至图6，在本发明的本实施方式中，具有第二衍生结构的人造微结构102设置在结构单元103中。形成基板的材料为绝缘的介电材料，例如为陶瓷材料。人造微结构102由金属银、铜形成，并通过光刻、刻蚀或者其他形式附着在该结构单元103上的介电材料上。基板的材料和人造微结构的材料为不同的材料，且这两种材料在空间的叠加会在空间等效成一种具有特殊电磁响应的新型材料，该新型材料即为本发明人工合成材料。对应地，该结构单元103的尺寸则取决于该人造微结构需要响应的电磁波频率f，通常该结构单元的尺寸为所需响应的电磁波波长λ的十分之一，即a、b和c的长度都需在波长λ的十分之一或者稍小的范围内，才能保证该人造微结构组成的空间阵列能够对波长为λ的电磁波产生有效响应。

图7示出了本发明人工合成材料的人造微结构的第三衍生结构。参考图3及图7，本发明人工合成材料100的第三衍生结构是在图3该的第二衍生结构的基础上衍生而来。在图3所示的第二衍生结构中，在第二线段组的每一线段末端设置一组垂直于该线段的第三线段组。该第三线段组的长度可以相同，也可以不同。从而形成根据本发明的人造微结构102的第三衍生结构。

在本发明的其他实施方式中，还可以在第三线段组的每一线段末端设置一组垂直于该线段的第四线段组，在第四线段组的末端设置一组垂直于该线段的第五线段组，以此类推，可以衍生出更多的拓扑结构，该类结构类似于雪花型结构，因而均属于以雪花型结构为基础的衍生结构。

在以雪花型结构为基础的衍生结构中，衍生结构所包括的第一线段组中的第一线段A、B和C的长度a、b和c为彼此独立的变量，可取为任意长度值，根据取值的不同该单个雪花型人造结构表现出不同的性质。在第二线段组中，该第二线段D1、D2、E1、E2、F1和F2对应的长度d1、d2、e1、e2、f1和f2均可取为任意长度值，且对应组-即该D1和D2之间、该E1和E2之间、该F1和F2之间可以在空间平行，也可以不平行，该长度的取值和第二线段组各对应组的位置关系决定该单个雪花型人造结构的不同性质。当且仅当a、b和c都相等，d1、d2、e1、e2、f1和f2都相等且第二线段组各对应组分别平行，且该对应组D1、D2对应平行于第一线段B，对应组E1、E2对应平行于第一线段C，对应组F1、F2对应平行于第一线段A时，该单个雪花型人造结构具有对称性，该雪花型微结构所在结构单元对于电磁波呈各向同性的特性。对应地，对于雪花型第n衍生结构所包括第三线段组、第四线段组到第n线段组时，必须满足每组线段组里面所包括的线段的长度相等且对应平行，且对于第n衍生结构时，该第n衍生结构的所有线段必须对应平行于该笛卡尔坐标中的X、Y、Z轴中的一个，此时该第n衍生结构呈各向同性的特性。否则，则表现出各向异性的特点。本发明可以根据不同的应用需要设为各向同性或者各向异性的特性。

再请参考图5及图6，由图5及图6可知，多个该人造微结构102的尺寸相同，且均匀地设置在基板上。然而，在本发明的实施方式的一个变型中，该多个人造微结构102的尺寸可以不同，但均匀地排列在基板上。例如该人造微结构102的尺寸逐渐变大或变小，但是均匀地排列在基板上。在本发明的实施方式的又一个变型中，该多个人造微结构102的尺寸相同，但非均匀地排列在基板上。例如，在基板上的某处，该人造微结构102的密度较大，而在基板的其他处，该人造微结构102的密度较小。又或者，该多个人造微结构102的尺寸不相同，并且非均匀的排列在基板上。在本发明的实施方式中，所采用的人造微结构的具体机构为该人造微结构102的第二衍生结构，然而在本发明的其他实施方式中，在同一人工合成材料上的多个该人造微结构102的具体结构可以不同。例如，在本发明的实施方式的另一个变型中，多个该人造微结构102的具体结构分别为本发明中的人造微结构102的第一衍生结构和第二衍生结构，或者采用其他结构，例如“I”字型结构。

上述形成本发明人工合成材料的单个该人造微结构102中，该第一线段组、第二线段组等均采用金属等材料组成，且不同的线段组一般采用相同的材料。

本发明人工合成材料可调制电磁波。电磁波的传播包括电场和磁场的传播，相应地，在电场和磁场进行传播的过程中，会在传播介质中产生对应的响应，具体表现为介电常数ξ和磁导率μ。一般介质材料的介电常数ξ及磁导率均大约零，空气中的介电常数ξ＝1，磁导率μ＝1，而本发明人工合成材料单个雪花型人造结构的介电常数ξ＜0且磁导率μ＜0，亦即是说，电磁波在该人工合成材料中传播发生折射时，入射光和折射光位于入射平面法线的同一侧。

请参阅图3、图5及图6，在本发明的本实施方式中，人工合成材料通过设计该微结构的排列结构，预设整个人工合成材料在空间的每一三维坐标点的电磁特性，这种电磁特性可以是均匀而非渐变的，也可以根据实际需要设置为非均匀而渐变的特性，本发明人工合成材料通过设计、优化和加工来改变该人造微结构102的尺寸及维度的排列关系，从而可以使该人工合成材料的介电常数ξ以及磁导率μ按任意预定值改变，且可任意改变电磁场的传播方向。在本发明中，该渐变、非渐变的特性指介电常数ξ和磁导率μ的渐变特性，通过控制该人工合成材料的结构来实现控制电磁波的传播以及介电常数ξ和磁导率μ。

除上述特性外，本发明人工合成材料谐振频率的调谐则可以通过改变该单个雪花型人造结构、该微结构以及该维度的实现方式来实现，即通过改变材料、单个人造微结构或者基板的材料来实现调谐。

请参阅图8和图9，图8是本发明人工合成材料的介电常数ξ与电磁波频率f的ξ-f关系示意图，图9是人工合成材料的磁导率μ与电磁波频率f的μ-f关系示意图，其中f₀为谐振频率。众所周知，当需响应频率f和系统的谐振频率f₀接近时，会给系统带来谐振损耗，这个损耗是最大的，既降低系统的寿命，又影响了工作的效率。本发明通过前述的调谐方法，对该人工合成材料进行调谐，即通过调整该人工合成材料的介电常数ξ总和磁导率μ总，使该人工合成材料的谐振频率f₀平移，一般表现为变大，从而使该人工合成材料的工作频率远离谐振频率。本发明人工合成材料通过改变人造微结构，从而改变该微结构的介电常数ξ，进而改变该人工合成材料的介电常数ξ总和磁导率μ总，使该人工合成材料在工作时的响应频率f远离该人工合成材料的谐振频率f₀，避免出现谐振，从而避免电磁波的过量损耗。除了上述优点外，本发明通过调谐作用，还可以使该人工合成材料的工作进行有效的数学预测，从而设计该人工合成材料的介电常数和磁导率的数值。

请参阅图10，图10是本发明人工合成材料的工作频率范围示意图。通过调谐作用，本发明的人工合成材料进一步实现超宽带的工作范围，当响应频率远离谐振频率时，相应地，该人工合成材料的响应频率的范围也得到加宽，其中，工作频率的下限值为f_下限，工作频率的上限值为f_上限，即工作频率范围为f_上限到f_下限，工作的带宽值为f_上限-f_下限，相对于现有的电磁材料，本发明的工作频率范围较大，属于超宽带的值。

电磁波从垂直该微结构的方向进入，该微结构对电场响应而对磁场无响应。当该微结构为空间对称且表现为各向同性时，该微结构对各个方向上入射的电磁波的响应相同，即在X、Y和Z轴方向上具有相同的响应值。如前该，当该微结构形成人工合成材料时，若该人工合成材料具有各向同性的特性，则该人工合成材料的响应值在X、Y和Z轴的分量也均匀。反之，若各向异性，则在响应的时候表现为响应值不规则的分布，如表现为电磁波的汇聚、偏移等，当电磁波垂直入射到该人工合成材料，并穿过该人工合成材料，在该人工合成材料内，电磁波根据预设的微结构的介电常数和磁导率，使该电磁波的传播方向改变偏折，一般为往介电常数和磁导率绝对值大的方向偏折，从而实现电磁波的汇聚和偏移，而当电磁波直线射入该人工合成材料，而从另一方向平行射出时，该入射光线和该出射光线平行，实现了传播线路的平移。

本发明人工合成材料是具有特殊电磁效应的新型材料，该人工合成材料可替代现有的电磁材料应用到各种电磁波的应用系统，比如可应用到电磁波传播调制材料与器件，如天线、智能天线、角度放大等，或者应用到波导系统电磁模式调制、功能型极化调制器件、微波电路、THz(太赫兹波)、光学应用等领域。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种人工合成材料，其特征在于，包括：基板及多个人造微结构，所述基板分成多个结构单元，所述多个人造微结构设置于所述基板的所述多个结构单元中，其中所述人造微结构包括多组线段组，所述多组线段组包括建立在三维笛卡儿坐标系基础上的第一线段组，所述第一线段组包括在所述三维笛卡儿坐标系的X轴上截取的第一线段A、在Y轴上截取的第一线段B和在Z轴上截取的第一线段C；所述多组线段组包括n组线段组，第n线段组垂直设置在第n-1线段组的每一线段的末端，n为大于1的正整数；n组线段组中，每组线段组里面所包括的线段的长度相等且各对应组分别平行，且各对应组分别对应平行于所述三维笛卡儿坐标系的X、Y、Z轴中的一个。

2.根据权利要求1所述的人工合成材料，其特征在于，所述人造微结构为雪花型结构。

3.根据权利要求1所述的人工合成材料，其特征在于，所述多组线段组的材料包括金属，所述基板包括绝缘的介电材料。

4.根据权利要求1所述的人工合成材料，其特征在于，所述人造微结构通过光刻、蚀刻工艺附着在所述结构单元上。

5.根据权利要求1所述的人工合成材料，其特征在于，所述结构单元的尺寸等于或者小于所响应的电磁波波长λ的十分之一。

6.根据权利要求1所述的人工合成材料，其特征在于，所述人工合成材料的介电常数和磁导率都小于0。