CN105160099B - 人工微结构材料自由移植方法 - Google Patents

Abstract

人工微结构材料自由移植方法，属于人工微结构材料技术领域。解决了现有技术难以直接制备出大尺寸外形复杂的人工微结构材料的问题。该方法先采用电磁学仿真软件建立人工微结构材料的物理模型，然后将电磁学仿真软件的背景折射率修改为待使用的粘性溶剂的折射率，优化结构参数，在基底上制备人工微结构材料后，再将制备的人工微结构材料从基底上剥离，超声粉碎，碎片与粘性溶剂进行物理混合，得到涂料，最后将涂料刷涂、喷涂或热压在目标面上，自然固化，得到覆载在目标面上的人工微结构材料。该方法不仅能够制备大尺寸外形复杂的人工微结构材料，且制备的人工微结构材料能够保留其物理特性，能够应用于民生及国防等多个领域。

Description

人工微结构材料自由移植方法

技术领域

本发明属于人工微结构材料技术领域，具体涉及一种人工微结构材料自由移植方法。

背景技术

人工微结构材料，如超材料、光子晶体等，是具有亚波长尺寸的微结构。通过在材料的关键物理尺寸、结构上的有序设计，可以使材料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，如表面等离子体共振效应、负折射率、负磁导率、逆多普勒效应等。由于人工微结构材料具有以上特性，目前已经成为当今国内外多个基础学科的研究热点，在民生及国防领域都具有巨大的应用潜力。

人工微结构材料多为三维交叉结构，结构内部又存在不同介质或金属嵌入等情况，因此在制作中存在难以组合、嵌入、曲面化的技术问题。现有技术中，人工微结构材料的制备方法主要有光刻、纳米压印、物理气相沉积等，但是这些技术工艺尚难以直接制备出大尺寸外形复杂的人工微结构材料(本发明的大尺寸指比人工微结构材料单元周期的长度大4个数量级以上的尺寸)，从而使很多人工微结构材料的构想暂时只能停留在实验室或概念品阶段。即现有技术中，经常出现人工微结构材料的单元结构已知(物理模型已知)，目标物理性质可测，但具体应用存在困难的现象。因为现有技术中的制备方法只可以制备出人工微结构材料的小尺寸样品，具体尺寸范围受制备设备本身的限制，如物理气相沉积法制备纳米结构周期阵列时，常规制备设备只能制备出平板阵列，在保证周期结构不被破坏的前提下，平板阵列的尺寸无法突破m级。现有技术中，还没有能够制备大尺寸外形复杂的人工微结构材料的方法。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中人工微结构材料的制备方法难以直接制备出大尺寸外形复杂的人工微结构材料的技术问题，提供一种人工微结构材料自由移植方法。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

人工微结构材料自由移植方法，包括以下步骤：

步骤一、采用电磁学仿真软件建立人工微结构材料的物理模型，将电磁学仿真软件的背景折射率修改为待使用的粘性溶剂的折射率，优化结构参数；

步骤二、在基底上制备步骤一中优化结构参数后的人工微结构材料；

步骤三、将步骤二制备的人工微结构材料从基底上剥离，然后进行超声粉碎，得到碎片，碎片的颗粒度比优化结构参数后的人工微结构材料周期单元的长度大2-4个数量级；

步骤四、将碎片与粘性溶剂进行物理混合，得到涂料，涂料中碎片的质量百分数为40-90％；

步骤五、将涂料刷涂、喷涂或热压在目标面上，自然固化，涂料在目标面上形成涂层，得到覆载在目标面上的人工微结构材料。

进一步的，步骤一与步骤四中，所述的粘性溶剂为光学环氧胶。

进一步的，步骤一中，所述电磁学仿真软件为CST或者FDTD Solutions。

进一步的，步骤一中，所述采用电磁学仿真软件建立人工微结构材料的物理模型的过程是：首先构建人工微结构材料的单元模型，单元模型建立后，利用电磁学仿真软件自带的Model工具建立人工微结构材料的周期阵列，然后在x，y，z三个空间尺度上构建空间周期阵列。

进一步的，步骤一中，所述优化结构参数过程是：电磁学仿真软件首先对构建的人工微结构材料的物理模型进行可控参数敏感性分析，确定敏感性可控参数，然后调节敏感性可控参数，得到优化结构参数。

进一步的，当人工微结构材料为贵金属纳米组装体系时，步骤二采用模板法制备人工微结构材料。

进一步的，当步骤二采用的基底由单一材料组成时，步骤三中，将人工微结构材料从基底上剥离的方法是，将基底溶解在剥离液中。

进一步的，当步骤二采用的基底由多种材料组成时，步骤三中，将人工微结构材料从基底上剥离的方法，是将基底依次溶解在不同的剥离液中；更进一步的，当基底为附带铝基底的氧化铝膜时，先将基底溶解在氯化铜和盐酸混合溶液中，再将基底溶解在稀磷酸溶液中。

进一步的，步骤四中，所述涂料中碎片的质量百分数为50-70％。

本发明的原理：本发明的人工微结构材料自由移植方法解决了现有技术中大尺寸复杂形状的人工微结构材料难以制备的技术问题，本发明采用整体结构碎片化处理的思想将现有的块状人工微结构材料转换成涂料的形式，在不破坏人工微结构材料周期单元的基础上，使人工微结构材料能够通过刷涂、喷涂、热压等工艺很方便的在大尺寸、复杂曲面上进行随形附着，从而使材料物理性质的表达突破了整体宏观结构的限制。在这个过程中，混合粘性溶剂后的人工微结构材料，不可避免的会在整体物理特性的表达上与原始人工微结构材料发生偏差，对此，经发明人分析，混合粘性溶剂后的人工微结构材料与原始人工微结构材料相比，实际上是相当于改变了原始人工微结构材料的介质环境，因此，本发明在步骤一中借助仿真软件建立人工微结构材料的物理模型时，改变空间的介质环境，将软件的背景折射率由真空中的折射率1改为粘性溶剂的折射率，再通过软件自动优化结构参数，使改变背景折射率后的人工微结构材料与原始人工微结构材料的物理性能基本保持一致。另外，由于人工微结构材料的周期单元的长度都为微米量级，将其粉碎为碎片时，要求碎片的颗粒度比优化结构参数后的人工微结构材料周期单元的长度大2-4个数量级，就能保证人工微结构材料的周期单元不被破坏。综合这两点，能够保证覆载在目标物上后，人工微结构材料的物理性能与原始人工微结构材料的的物理性能基本保持一致，又能实现任意尺寸、任意曲面上制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的人工微结构材料自由移植方能够有效的解决了现有技术中人工微结构材料的制备方法难以制备大尺寸复杂形状的人工微结构材料，而限制人工微结构材料应用的技术问题，该方法使人工微结构材料具备了良好的随形附着能力，可以通过刷涂、喷涂、热压等工艺自由应用在任意曲面上，不受尺寸限制，整个制备过程具有工艺流程简单，成本低，适用性强的优点，且制备的人工微结构材料仍保留原始人工微结构材料独特的物理特性，在民生及国防等多个领域都具有巨大的市场前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的原始人工微结构材料与覆载在目标面上的人工微结构材料的紫外可见光谱图。

具体实施方式

为使本领域技术人员进一步了解本发明，以下结合附图进一步说明本发明。

人工微结构材料自由移植方法，包括以下步骤：

步骤一、采用电磁学仿真软件建立原始人工微结构材料的单元模型，单元模型建立后，利用电磁学仿真软件自带的Model工具建立周期阵列，然后在x，y，z三个空间尺度上构建空间周期阵列，完成原始人工微结构材料物理模型的建立，然后将电磁学仿真软件的背景折射率修改为待使用的粘性溶剂的折射率，电磁学仿真软件先对构建的物理模型进行可控参数敏感性分析，确定敏感性参数，然后调节敏感性参数，得到优化结构参数，保证在背景折射率变为待使用的粘性溶剂的折射率的情况下，优化结构参数后的人工微结构材料与原始人工微结构材料的物理性能基本一致；

其中，电磁学仿真软件为本领域常用设计软件，如CST、FDTD Solutions等；待使用的粘性溶剂即步骤四中使用的粘性溶剂，如果粘性溶剂采用光学环氧胶，则背景折射率从真空中的1改为1.45，其他过程与现有技术中的仿真建模过程相同；

步骤二、在基底上制备步骤一中优化结构参数后的人工微结构材料，然后将带有人工微结构材料的基底置于剥离液中，基底被溶解，得到从基底上剥离的人工微结构材料，需要说明的是，根据基底材料的不同，可以直接将基底置于单一剥离液中，也可能是将基底依次置于不同的剥离液中，具体可以根据现有技术选择，如当原始人工微结构材料为贵金属纳米组装体系时，基底为附带铝基底的氧化铝膜，剥离过程即先将基底置于氯化铜和盐酸混合溶液，再将基底置于稀磷酸溶液中；

在基底上制备人工微结构材料的具体制备过程为现有技术，具体方法需根据原始人工微结构材料的种类确定，如对贵金属纳米组装体系而言，制备方法为模板法，制备工艺为物理气相沉积，制备设备为电子束蒸镀设备，根据现有技术进行选择即可；

步骤三、将步骤二剥离的人工微结构材料超声粉碎，采用现有技术中的超声粉碎机即可完成，得到人工微结构材料碎片，人工微结构材料碎片的颗粒度比优化结构参数后的人工微结构材料周期单元的长度大2-4个数量级，如贵金属纳米组装体系，周期单元的长度为10nm量级，则人工微结构材料碎片的颗粒度可以为10um量级；

步骤四、将人工微结构材料碎片与粘性溶剂进行物理混合，得到涂料，涂料中人工微结构材料碎片的质量百分数为40-90％，优选50-70％；

其中，粘性溶剂为具备粘性的材料，一般采用光学环氧胶；涂料中的碎片的质量百分数在40％-90％，是为了保证涂料形成的涂层的物理性能与原始人工微结构材料一致，具体掺杂比例根据人工微结构材料的不同而不同，可以通过实验获得优选范围；

步骤五、将涂料刷涂、喷涂或热压在目标面上，自然固化，涂料在目标面上形成涂层，得到覆载在目标面上的人工微结构材料，实现人工微结构材料的自由移植。

实施例1

原始人工微结构材料在450nm-750nm区间内有一个强吸收峰，峰值吸收率大于85％。

人工微结构材料自由移植方法，包括以下步骤：

步骤一、在CST软件中建立原始人工微结构材料的单元模型，单元模型建立后，利用CST软件自带的Model工具建立原始人工微结构材料的周期阵列，在x，y，z三个空间尺度上分别构建10个单元，构成空间周期阵列，完成原始人工微结构材料物理模型的构建，然后将CST软件的背景折射率由真空中的1修改为1.45，对人工微结构材料的结构参数进行优化，使背景折射率为1.45的情况下，优化后的人工微结构材料的物理性质与原始人工微结构材料最接近；

步骤二、采用电子束蒸镀法在附带铝基底的氧化铝膜上，采用模板法制备优化后的人工微结构材料；

步骤三、将带有人工微结构材料的附带铝基底的氧化铝膜先置于氯化铜和盐酸混合溶液中，再置于稀磷酸溶液中，得到剥离的人工微结构材料；

步骤三、将人工微结构材料超声粉碎为碎片，碎片的颗粒度为10um量级(优化后的人工微结构材料的周期长度为50nm)；

步骤四、将碎片与光学环氧胶按质量比1:1进行物理混合，搅拌均匀，得到涂料；

步骤五、将涂料刷涂于目标面之上，置于太阳光之下自然固化，固化后，得到覆盖在目标面上的人工微结构材料。

采用紫外可见分光光谱仪对原始人工微结构材料与覆载在目标面上的人工微结构材料进行检测，图1为原始人工微结构材料与覆载在目标面上的人工微结构材料的紫外可见光谱，从图中可以看出，覆载在目标面上的人工微结构材料在紫外波段的主吸收峰发生了一定程度的偏移，但仍然在此波段表现出选择性强吸收的性质，即450nm—750nm区间内有一个强吸收峰，峰值吸收率大于85％，满足使用要求。

Claims (10)

1.人工微结构材料自由移植方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用电磁学仿真软件建立人工微结构材料的物理模型，将电磁学仿真软件的背景折射率修改为待使用的粘性溶剂的折射率，优化结构参数；

步骤二、在基底上制备步骤一中优化结构参数后的人工微结构材料；

步骤三、将步骤二制备的人工微结构材料从基底上剥离，然后进行超声粉碎，得到碎片，碎片的颗粒度比优化结构参数后的人工微结构材料周期单元的长度大2-4个数量级；

步骤四、将碎片与粘性溶剂进行物理混合，得到涂料，涂料中碎片的质量百分数为40％-90％；

步骤五、将涂料刷涂、喷涂或热压在目标面上，自然固化，涂料在目标面上形成涂层，得到覆载在目标面上的人工微结构材料。

2.根据权利要求1所述的人工微结构材料自由移植方法，其特征在于，步骤一与步骤四中，所述的粘性溶剂为光学环氧胶。

3.根据权利要求1所述的人工微结构材料自由移植方法，其特征在于，步骤一中，所述电磁学仿真软件为CST或者FDTD Solutions。

4.根据权利要求1所述的人工微结构材料自由移植方法，其特征在于，步骤一中，所述采用电磁学仿真软件建立人工微结构材料的物理模型的过程是：首先构建人工微结构材料的单元模型，单元模型建立后，利用电磁学仿真软件自带的Model工具建立人工微结构材料的周期阵列，然后在x，y，z三个空间尺度上构建空间周期阵列。

5.根据权利要求1所述的人工微结构材料自由移植方法，其特征在于，步骤一中，所述优化结构参数过程是：电磁学仿真软件首先对构建的人工微结构材料的物理模型进行可控参数敏感性分析，确定敏感性可控参数，然后调节敏感性可控参数，得到优化结构参数。

6.根据权利要求1所述的人工微结构材料自由移植方法，其特征在于，当人工微结构材料为贵金属纳米组装体系时，步骤二采用模板法制备人工微结构材料。

7.根据权利要求1所述的人工微结构材料自由移植方法，其特征在于，当步骤二采用的基底由单一材料组成时，步骤三中，将人工微结构材料从基底上剥离的方法是，将基底溶解在剥离液中。

8.根据权利要求1所述的人工微结构材料自由移植方法，其特征在于，当步骤二采用的基底由多种材料组成时，步骤三中，将人工微结构材料从基底上剥离的方法，是将基底依次溶解在不同的剥离液中。

9.根据权利要求8所述的人工微结构材料自由移植方法，其特征在于，当基底为附带铝基底的氧化铝膜时，先将基底溶解在氯化铜和盐酸混合溶液中，再将基底溶解在稀磷酸溶液中。

10.根据权利要求1所述的人工微结构材料自由移植方法，其特征在于，步骤四中，所述涂料中碎片的质量百分数为50％-70％。