CN103675956A

CN103675956A - 一种透明超材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103675956A
Application number: CN201210317245.8A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 季春霖; 岳玉涛; 黄新政
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: CN103675956B

Abstract

本发明涉及一种透明超材料，包括透明基板、设置在透明基板一侧表面上的多个氧化铟锡微结构以及覆盖多个氧化铟锡微结构的透明保护层。根据本发明的透明超材料能够对可见光产生响应并且能够透光，通过设计该超材料的折射率分布，可以通过一个该超材料或多个该超材料实现对可见光的汇聚、发散、偏折等作用。

Description

一种透明超材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种透明超材料及其制备方法。

背景技术

超材料是一种能够对电磁产生响应的新型人工合成材料，由基板和附着在基板上的人造微结构组成。由于人造微结构通常为金属线排布成的具有一定几何图形的结构，因此能够能电磁产生响应，从而使超材料整体体现出不同于基板的电磁特性，这样的电磁特性能实现现有材料不能实现的特殊功能，例如实现电磁波的汇聚、发散等，可用在天线、雷达等电磁通讯领域。

理论上超材料能够应用在各种电磁波上，但是现有的应用领域通常只在微波等电磁通讯领域，而对可见光是不起作用的，这是由基板和人造微结构的选材所限定的。通过基板与人造微结构的特殊选材可以将超材料的应用范围扩展到可见光频段。

利用透明基板以及氧化铟锡微结构来制作超材料，可以实现超材料对可见光产生响应并且能够透光。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种透明超材料，其能够对可见光产生响应并且能够透光。

该透明超材料包括透明基板、设置在透明基板一侧表面上的多个氧化铟锡微结构以及覆盖多个氧化铟锡微结构的透明保护层。

进一步地，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、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯制成。

进一步地，所述氧化铟锡微结构的厚度在4-400nm之间。

进一步地，所述透明基板可划分为多个相同的方形的透明基板单元，每一透明基板单元与其上的氧化铟锡微结构构成一个超材料单元，每一超材料单元的长、宽及厚度均不大于工作电磁波的波长。

进一步地，所述多个氧化铟锡微结构具有相同的几何图案，所述氧化铟锡微结构具有平面雪花状的几何图案，所述氧化铟锡微结构具有相互垂直平分的第一主线及第二主线，所述第一主线与第二主线的长度相同，所述第一主线两端连接有相同长度的两个第一支线，所述第一主线两端连接在两个第一支线的中点上，所述第二主线两端连接有相同长度的两个第二支线，所述第二主线两端连接在两个第二金属支线的中点上，所述第一支线与第二支线的长度相等。

进一步地，所述透明保护层的材料为硫化硅橡胶。

根据本发明的透明超材料，采用透明基板及氧化铟锡微结构，由于氧化铟锡具有电学传导与光学透明的双重特性，因此由此方法制备的超材料能够对可见光产生响应并且能够透光，通过设计该超材料的折射率分布，可以通过一个该超材料或多个该超材料实现对可见光的汇聚、发散、偏折等作用。并且，在氧化铟锡微结构的上面覆盖有透明保护层，使得氧化铟锡微结构不会直接暴露在空气中，有利于超材料的稳定性。

另外本发明还提供了一种透明超材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、在透明基板的一侧表面上沉积形成氧化铟锡导电薄膜；

S2、蚀刻氧化铟锡导电薄膜以形成多个氧化铟锡微结构；

S3、在多个氧化铟锡微结构上覆盖一层透明保护层。

进一步地，所述透明保护层的材料为硫化硅橡胶，上述S3的具体步骤为：在多个氧化铟锡微结构上覆盖一层液体硅橡胶，高温硫化或室温放置形成硫化硅橡胶透明保护层。

进一步地，所述氧化铟锡导电薄膜的厚度在4-400nm之间。

进一步地，所述氧化铟锡导电薄膜采用电子束蒸发、物理气相沉积或者磁控溅射的方法沉积到透明基板的一侧表面上。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的透明超材料的结构示意图；

图2是图1所示的透明超材料的一个超材料单元的结构示意图；

图3是本发明的的透明超材料所采用的一种形式的氧化铟锡微结构；

图4是图3所示的氧化铟锡微结构的一种衍生结构；

图5是图3所示的氧化铟锡微结构的一种变形结构。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种透明超材料，该透明超材料包括透明基板10、设置在透明基板10一侧表面上的多个氧化铟锡微结构MS以及覆盖多个氧化铟锡微结构MS的透明保护层20。所述透明保护层20可以是有机保护膜，无机电镀层等。优选地，所述透明保护层20的材料为硫化硅橡胶，即透明保护层20为硫化硅橡胶透明保护层。

图1采用透视画法，以便更清楚地描述本发明的超材料。

本发明中，可以将透明超材料虚拟地划分成多个如图2所示的超材料单元D。如图1及图2所示，所述透明基板10可划分为多个相同的方形的透明基板单元U，每一透明基板单元U与其上的氧化铟锡微结构MS构成一个超材料单元D，每一超材料单元D的长、宽及厚度均不大于工作电磁波的波长，例如透明基板单元U为方形薄片，其长宽相等，为工作电磁波波长的十分之一，其厚度为工作电磁波波长的二十分之一。此处的工作电磁波是指超材料用作通讯器件时，其工作的中心频率。

优选地，透明基板上的多个氧化铟锡微结构采用相同的几何图案。

如图3所示，本发明的所述氧化铟锡微结构具有平面雪花状的几何图案，所述氧化铟锡微结构具有相互垂直平分的第一主线J1及第二主线J2，所述第一主线J1与第二主线J2的长度相同，所述第一主线J1两端连接有相同长度的两个第一支线F1，所述第一主线J1两端连接在两个第一支线F1的中点上，所述第二主线J2两端连接有相同长度的两个第二支线F2，所述第二主线J2两端连接在两个第二支线F2的中点上，所述第一支线F1与第二支线F2的长度相等。

图4是图3所示的平面雪花状的氧化铟锡微结构的一种衍生结构。其在每个第一支线F1及每个第二支线F2的两端均连接有完全相同的第三支线F3，并且相应的第三支线F3的中点分别与第一支线F1及第二支线F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。

图5是图3所示的平面雪花状的氧化铟锡微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一主线J1与第二主线J2不是直线，而是弯折线，第一主线J1与第二主线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一主线J1与第二主线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一主线与第二主线上的相对位置，使得图5所示的氧化铟锡微结构绕垂直于第一主线与第二主线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一主线J1与第二主线J2均设置多个弯折部WZ。

现有的超材料，由于人造微结构和基板均为不透明材料，因此主要应用于微波波段，对可见光不能产生作用。本文所述的透明超材料，是指透光度达到85％以上的超材料。

本发明的透明基板，例如，可以是透明有机高分子材料。优选实施例中，本发明的透明基板3选用透明有机玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯，英文简称PMMA。也可以是其他的透明有机高分子材料，例如还可以是透明聚氨酯(PU)、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）等。这些材料通过现有技术的制造工艺，都可实现透明或半透明，使得可见光透过。

本发明的人造微结构为透明或半透明的氧化铟锡微结构。

氧化铟锡（ITO）是一种铟（III族）氧化物In₂O₃和锡（IV族）氧化物SnO₂的混合物，以质量百分比计算，通常In₂O₃的含量在80％～95％之间；本发明优地，以质量百分比计算，In₂O₃的含量为90％，其余的为SnO₂。氧化铟锡导电薄膜厚度在4～400nm之间时，为透明无色，可以作为导电薄膜来替代银、铜金属丝的同时还具有很好的透光性。

氧化铟锡具有良好的电学传导性，因此能够实现银、铜等良好导体所能实现的功能，因此可替代银、铜作为超材料中人造微结构的原材料。

本发明还涉及一种透明超材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、在透明基板的一侧表面上沉积形成氧化铟锡导电薄膜；

所述氧化铟锡导电薄膜可以采用电子束蒸发、物理气相沉积或者磁控溅射的方法沉积到透明基板的一侧表面上。所述氧化铟锡导电薄膜的厚度在4-400nm之间。

S2、蚀刻氧化铟锡导电薄膜以形成多个氧化铟锡微结构；

蚀刻的具体工艺为：

首先，利用计算机软件仿真（例如CST）得到实现某一特定功能的超材料的所需要的整体折射率分布，将超材料虚拟地划分成多个如图2所示的超材料单元D，将整体的折射率分布分解到每一个超材料单元，得到超材料单元的折射率空间排布。

然后，确定透明基板的材质、氧化铟锡微结构的材质（组分），通过仿真确定超材料上每一折射率对应的超材料单元的具体形态，即每一超材料单元上的氧化铟锡微结构的尺寸、几何图案，这样，所有氧化铟锡微结构的整体几何图案即能在计算机上呈现出来，依照该整体几何图案制作出蚀刻用的掩模（掩模非镂空的部位即为所有氧化铟锡微结构的整体几何图案）。

最后，将掩模覆盖在S1步骤中形成的氧化铟锡导电薄膜上，再接触化学溶液，氧化铟锡导电薄膜上镂空的部分被溶解掉，进而得到了需要的多个氧化铟锡微结构，从而制造出我们需要的超材料，可以通过一个该超材料或多个该超材料实现对可见光的汇聚、发散、偏折等作用。优选地，为了降低掩模的加工难度，透明基板上的多个氧化铟锡微结构采用相同的几何图案。

S3、在多个氧化铟锡微结构上覆盖一层透明保护层。

本发明中，所述透明保护层的材料为硫化硅橡胶，上述S3的具体步骤为：在多个氧化铟锡微结构上覆盖一层液体硅橡胶，高温硫化或室温放置形成硫化硅橡胶透明保护层。

在多个氧化铟锡微结构上覆盖一层液体硅橡胶的方法可以是浸渍、喷淋、丝印等。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种透明超材料，其特征在于，包括透明基板、设置在透明基板一侧表面上的多个氧化铟锡微结构以及覆盖多个氧化铟锡微结构的透明保护层。

2.根据权利要求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、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯制成。

3.根据权利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述氧化铟锡微结构的厚度在4-400nm之间。

4.根据权利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述透明基板可划分为多个相同的方形的透明基板单元，每一透明基板单元与其上的氧化铟锡微结构构成一个超材料单元，每一超材料单元的长、宽及厚度均不大于工作电磁波的波长。

5.根据权利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述多个氧化铟锡微结构具有相同的几何图案，所述氧化铟锡微结构具有平面雪花状的几何图案，所述氧化铟锡微结构具有相互垂直平分的第一主线及第二主线，所述第一主线与第二主线的长度相同，所述第一主线两端连接有相同长度的两个第一支线，所述第一主线两端连接在两个第一支线的中点上，所述第二主线两端连接有相同长度的两个第二支线，所述第二主线两端连接在两个第二金属支线的中点上，所述第一支线与第二支线的长度相等。

6.根据权利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述透明保护层的材料为硫化硅橡胶。

7.一种透明超材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、在透明基板的一侧表面上沉积形成氧化铟锡导电薄膜；

S2、蚀刻氧化铟锡导电薄膜以形成多个氧化铟锡微结构；

S3、在多个氧化铟锡微结构上覆盖一层透明保护层。

8.根据权利要求7所述的透明超材料，其特征在于，所述透明保护层的材料为硫化硅橡胶，上述S3的具体步骤为：在多个氧化铟锡微结构上覆盖一层液体硅橡胶，高温硫化或室温放置形成硫化硅橡胶透明保护层。

9.根据权利要求7所述的透明超材料，其特征在于，所述氧化铟锡导电薄膜的厚度在4-400nm之间。

10.根据权利要求7所述的透明超材料，其特征在于，所述氧化铟锡导电薄膜采用电子束蒸发、物理气相沉积或者磁控溅射的方法沉积到透明基板的一侧表面上。