CN115954678A - 基于电湿润的可重构超表面及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工电磁材料技术领域，尤其涉及一种基于电湿润的可重构超表面及其控制方法，该基于电湿润的可重构超表面沿预设方向依次设置有第一基层、流体介质层和第二基层，流体介质层内设置有金属导线，流体介质层用于收容导电液，第一基层设置有固定槽，固定槽用于固定导电液，第二基层内设置有驱动电极，驱动电极用于驱动导电液与部分金属导线连接。该基于电湿润的可重构超表面，根据施加电压的驱动电极的位置的不同，能够实现导电液与不同的金属导线之间连接，这样能够切换超表面构型的相应模式，也能够实现改变超表面构型的几何尺寸，本发明的可重构超表面容易实现批量加工、控制模式简单、响应速度快，能够实现快速的超表面构型重构。

Description

基于电湿润的可重构超表面及其控制方法

技术领域

本发明涉及人工电磁材料技术领域，尤其涉及一种基于电湿润的可重构超表面及其控制方法。

背景技术

超表面是指一种厚度小于对应电磁波波长的人工层状材料，通常由周期性的金属-介电结构组成。超表面可实现对电磁波的偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。然而，目前超表面的构型通常是固定的，这意味着电磁波响应的固定，因此，若要实现电磁波响应的变化，超表面的构型需要能够可重构。

目前，可重构超表面主要可以通过调节金属结构/介电结构的几何尺寸实现，也可以通过调节金属的电导率或介电结构的介电常数，损耗角正切等参数实现。其中通过改变几何构型的方法，比较典型的有通过二极管的通断控制金属结构的电性连接，通过MEMS技术调节金属/介电结构的运动，通过压力驱动液态金属实现构型改变；通过改变金属/介电结构的物性参数，比较典型的有通过光、热、化学等方法诱导相变或发生反应，实现物性的改变。

然而，上述技术存在的一个共性问题就是，它们所能实现的可重构是在一个固定几何构型或有限的物性参数变化范围中实现的，这就意味着随着结构的重构或物性的变化，电磁波响应模式是受限的，例如只能做到电磁波吸收率的调节，电磁波吸收峰的偏移，极化的转换，相位的调节等等。上述技术不能根据需求改变电磁波的相应模式，例如从吸波向偏振转换或其他响应模式切换，这限制了可重构超表面的进一步发展。

发明内容

本发明的目的是至少解决可重构超表面相应模式单一的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种基于电湿润的可重构超表面，所述基于电湿润的可重构超表面沿预设方向依次设置有第一基层、流体介质层和第二基层；

所述流体介质层内设置有金属导线，所述流体介质层用于收容导电液；

所述第一基层设置有固定槽，所述固定槽用于固定所述导电液；

所述第二基层内设置有驱动电极，所述驱动电极用于驱动所述导电液与部分所述金属导线连接。

根据本发明的基于电湿润的可重构超表面，根据施加电压的驱动电极的位置的不同，能够实现导电液与不同的金属导线之间连接，这样能够切换超表面构型的相应模式，也能够实现改变超表面构型的几何尺寸，本发明的可重构超表面容易实现批量加工、控制模式简单、响应速度快，能够实现快速的超表面构型重构。

另外，根据本发明的基于电湿润的可重构超表面，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述第一基层沿预设方向依次设置有顶部基板、电极层、第一电介质层和第一疏水层；

所述第二基层沿预设方向依次设置有第二疏水层、第二电介质层和衬底层，所述驱动电极排列设置在所述衬底层靠近所述第二电介质层的一面。

在本发明的一些实施例中，多个所述金属导线的排列围成的形状为正方形、正三角形或正六边形。

在本发明的一些实施例中，所述驱动电极的材质为铝、铜、铂、银或钛。

在本发明的一些实施例中，所述衬底层的材质为硅或玻璃；

或/和，所述第一电介质层和所述第二电介质层的材质为二氯对二甲苯二聚体或二氧化硅；

或/和，所述第一疏水层和所述第二疏水层的材质为二氯对二甲苯二聚体或聚四氟乙烯。

在本发明的一些实施例中，所述电极层的材质为氧化铟锡薄膜；

或/和，所述顶部基板的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯或玻璃。

在本发明的一些实施例中，所述第一疏水层和所述第二疏水层的制备方法为薄膜沉积法或表面化学接枝法。

在本发明的一些实施例中，所述金属导线的材质为铜、铂或金；

或/和，所述流体介质层的流体介质为硅油或氟化液。

本发明的第二方面提出了一种基于电湿润的可重构超表面的控制方法，用于控制上述的基于电湿润的可重构超表面，包括如下步骤：

向驱动电极上方滴加导电液；

将第一基层封装在驱动电极沿预设方向的上方；

向流体介质层填充流体介质，使导电液包覆在流体介质中；

将驱动电极施加电压，从而改变超表面的构型。

在本发明的一些实施例中，选取镓铟锡合金、汞或离子液体作为所述导电液。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的基于电湿润的可重构超表面的结构示意图；

图2示意性地示出了根据本发明实施方式的阵列布局示意图a；

图3示意性地示出了根据本发明实施方式的阵列布局示意图b；

图4示意性地示出了根据本发明实施方式的阵列布局示意图c；

图5示意性地示出了根据本发明实施方式的针对十字形布局方案的导电液与金属导线的连接方案示意图；

图6示意性地示出了根据本发明实施方式的十字形的超表面构型重构示例a；

图7示意性地示出了根据本发明实施方式的十字形的超表面构型重构示例b；

图8示意性地示出了根据本发明实施方式的十字形的超表面构型重构示例c；

图9为本发明的基于电湿润的可重构超表面的控制方法的流程图。

附图标记如下：

10为第一基层，11为顶部基板，12为电极层，13为第一电介质层，14为第一疏水层，101为固定槽；

20为第二基层，21为第二疏水层，22为第二电介质层，23为驱动电极，24为衬底层；

30为流体介质层，31为流体介质，32为金属导线；

40为导电液。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1至图8所示，根据本发明的实施方式，提出了一种基于电湿润的可重构超表面，基于电湿润的可重构超表面沿预设方向依次设置有第一基层10、流体介质层30和第二基层20。其中流体介质层30内设置有多个金属导线32，流体介质层30用于收容导电液40。第一基层10设置有固定槽101，固定槽101用于固定导电液40。第二基层20内设置有驱动电极23，驱动电极23用于电湿润驱动导电液40与部分金属导线32连接。

根据本发明的基于电湿润的可重构超表面，根据施加电压的驱动电极23的位置的不同，能够实现导电液40与不同的金属导线32之间连接，一方面能够切换超表面构型即电磁波的响应模式，例如调制相位、极化或幅值等功能的切换，另一方面能够实现当前超表面构型几何尺寸的改变，即在当前电磁波响应模式下改变相位、极化或幅值。本发明采用电润湿的方式实现超表面构型的重构，与IC/MEMS工艺兼容，容易实现批量加工，控制模式简单，液体响应速度快，能够实现快速的超表面构型重构。

本发明是居于电湿润的可重构超表面，其中电湿润技术是指通过在上、下基板之间施加电压，来改变液滴在其下层固体结构(一般为强疏水材料)上的润湿性，即改变接触角，使液滴发生形变、位移的现象。所谓润湿是指固体表面的一种流体被另一种流体所取代的过程。液体在固体表面能铺展，固液接触面有扩大的趋势，即液体对固体表面的附着力大于其内聚力，就是润湿。液体在固体表面不能铺展，接触面有收缩成球形的趋势，就是不润湿，不润湿就是液体对固体表面的附着力小于其内聚力。

在一些实施方式中，第一基层10沿预设方向依次设置有顶部基板11、电极层12、第一电介质层13和第一疏水层14，第二基层20沿预设方向依次设置有第二疏水层21、第二电介质层22和衬底层24，驱动电极23排列设置在衬底层24靠近第二电介质层22的一面。衬底层24上设置有多个驱动电极23，驱动电极23的尺寸小，排列密度高，并且位于导电液40的正下方，驱动电极23用于对导电液40进行电湿润驱动。当驱动电极23施加一定的电压时，导电液40是湿润性发生改变，可与部分金属导线32电性连接，通过多个导电液40点阵以及部分金属导线32之间互联，构成超表面的不同构型。

流体介质层30主要由流体介质31填充而成，流体介质31均匀的分布在导电液40的周围。第一疏水层14、第一电介质层13和电极层12在位于导电液40的上方设置有固定槽101，固定槽101为多个并且与导电液40一样为阵列结构，固定槽101的阵列结构与导电液40的阵列结构相同，固定槽101陈列用于固定导电液40垂直于预设方向的平面位置。

如图2至图4所示，在一些实施方式中，多个金属导线32的排列围成的形状为正方形、正三角形或正六边形。本实施方式中只是列举了金属导线32与导电液40之间的部分排列方式，其中图2为正交排列，即为正方形排列或十字形排列，图3正六边形排列，图4正方形面心排列，金属导线32之间的夹角分别为90°、60°、45°的整数倍，这样适用于不同的超表面构型。

如图5所示，可以理解的是，当金属导线32的排列方式为正方形时，图5为此时导电液40与金属导线32的连接方案示意图，展示了导电液40周围驱动电极23的布局方式，并列举了当前布局方式下，该导电液40节点能够实现的全部电学互联的方案。

如图6至图8所示，当金属导线32为正交排列及驱动电极23为十字形布局的基础上，图6以十字形超表面构型为例，展示了当前构型几何寸改变的若干状态，当金属导线32与驱动电极23的尺寸做的越密集，单位面积上十字形构型能够具有的构型状态数量就越多。同理，如图7或图8所示，当前金属导线32及驱动电2的布局方式也适用于例如工字形，耶路撒冷形，L形等多种构型，能够实现不同电磁波波段的反射和透射率，以及实现电磁波的偏振转换等功能。

在一些实施方式中，驱动电极23的材质为铝、铜、铂、银或钛。驱动电极23是通过印刷的方式固定排列在衬底层24上，因此，驱动电极23在烧结前是以具有流动性的金属浆料的形式存在。所以驱动电极23也一般选用高熔点的贵金属铝、铜、铂、银或钛等材料，要求能够在1400℃左右高温下烧结而不致发生氧化、熔化、挥发、流失等现象。

可以理解的是，驱动电极23连接有控制编程系统，控制编程系统用于控制驱动电极23施加的电压大小及位置。

在一些实施方式中，衬底层24的材质为硅或玻璃，第一电介质层13和第二电介质层22的材质为二氯对二甲苯二聚体或二氧化硅，第一疏水层14和第二疏水层21的材质为二氯对二甲苯二聚体或聚四氟乙烯。

衬底层24的材质为硅或玻璃，是因为硅和玻璃具有更高的熔化温度允许更宽的工艺容限。

第一电介质层13和第二电介质层22的材质为二氯对二甲苯二聚体或二氧化硅。

在一些实施方式中，电极层12的材质为氧化铟锡薄膜，顶部基板11的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯或玻璃。

可以理解的是，电极层12的材质为氧化铟锡薄膜，氧化铟锡薄膜通常是物理气相沉积、或者一些溅射沉积技术的方法沉积到第一电介质层13的表面。

可以理解的是，顶部基板11采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯或玻璃，因此顶部基板11一般具有高透明度、低价格及容易加工等特点。

在一些实施方式中，第一疏水层14和第二疏水层21的制备方法为薄膜沉积法或表面化学接枝法。其中薄膜沉积法包括物理与化学气相方法、分子束外延方法、旋转涂覆或喷涂方法以及电镀方法，常用的是物理与化学气相沉积。表面化学接枝法能够在所需修饰的基质聚合物表面连接指定的官能团，从而达到显著的表面改性效果，而基质聚合物的本体性能不受影响。即在第一电介质层13上使用表面化学接枝法形成第一疏水层14或在第二电介质层22上使用表面化学接枝法形成第二疏水层21。

在一些实施方式中，金属导线32的材质为铜、铂或金，流体介质层30的流体介质为硅油或氟化液。

如图9所示，本发明还提供了一种基于电湿润的可重构超表面的控制方法，用于控制上述的基于电湿润的可重构超表面，包括如下步骤：

向驱动电极23上方滴加导电液40；

将第一基层10封装在驱动电极23沿预设方向的上方；

向流体介质层30填充流体介质31，使导电液40包覆在流体介质31中；

将驱动电极23施加电压，从而改变超表面的构型。

在一些实施例中，选取镓铟锡合金、汞或离子液体为导电液40。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于电湿润的可重构超表面，其特征在于，所述基于电湿润的可重构超表面沿预设方向依次设置有第一基层、流体介质层和第二基层；

所述流体介质层内设置有多个金属导线，所述流体介质层用于收容导电液；

所述第一基层设置有固定槽，所述固定槽用于固定所述导电液；

所述第二基层内设置有驱动电极，所述驱动电极用于驱动所述导电液与部分所述金属导线连接。

2.根据权利要求1所述的基于电湿润的可重构超表面，其特征在于，所述第一基层沿预设方向依次设置有顶部基板、电极层、第一电介质层和第一疏水层；

所述第二基层沿预设方向依次设置有第二疏水层、第二电介质层和衬底层，所述驱动电极排列设置在所述衬底层靠近所述第二电介质层的一面。

3.根据权利要求2所述的基于电湿润的可重构超表面，其特征在于，多个所述金属导线的排列围成的形状为正方形、正三角形或正六边形。

4.根据权利要求2所述的基于电湿润的可重构超表面，其特征在于，所述驱动电极的材质为铝、铜、铂、银或钛。

5.根据权利要求2所述的基于电湿润的可重构超表面，其特征在于，所述衬底层的材质为硅或玻璃；

和/或，所述第一电介质层和所述第二电介质层的材质为二氯对二甲苯二聚体或二氧化硅；

和/或，所述第一疏水层和所述第二疏水层的材质为二氯对二甲苯二聚体或聚四氟乙烯。

6.根据权利要求2所述的基于电湿润的可重构超表面，其特征在于，所述电极层的材质为氧化铟锡薄膜；

和/或，所述顶部基板的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯或玻璃。

7.根据权利要求2所述的基于电湿润的可重构超表面，其特征在于，所述第一疏水层和所述第二疏水层的制备方法为薄膜沉积法或表面化学接枝法。

8.根据权利要求1所述的基于电湿润的可重构超表面，其特征在于，所述金属导线的材质为铜、铂或金；

和/或，所述流体介质层的流体介质为硅油或氟化液。

9.一种基于电湿润的可重构超表面的控制方法，用于控制如权利要求1-8任一项所述的基于电湿润的可重构超表面，其特征在于，包括如下步骤：

向驱动电极上方滴加导电液；

将第一基层封装在驱动电极沿预设方向的上方；

向流体介质层填充流体介质，使导电液包覆在流体介质中；

将驱动电极施加电压，从而改变超表面的构型。

10.根据权利要求9所述的可重构超表面的控制方法，其特征在于，选取镓铟锡合金、汞或离子液体作为所述导电液。

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