專利名稱：一種基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的紅外波段超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的紅外波段超材料，特別涉及一種由金屬銅樹枝狀結(jié)構(gòu) 和金屬銀顆粒薄膜組合而成的平板夾心型超材料，該超材料可以在紅外波段實現(xiàn)左手特征響 應(yīng)與平面聚焦效應(yīng)。
背景技術(shù)：
左手材料(Left-handed Metamaterials， LHMs)因為其獨特的電磁響應(yīng)特性近年來受到了 科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。在過去的十年多的時間里，左手材料己經(jīng)從基本理論的提出發(fā)展到為 波段左手材料的實現(xiàn)以及紅外及可見光波段左手材料的嘗試性研究。然而，到目前為止所有 的研究均是基于周期性結(jié)構(gòu)的來實現(xiàn)的，很少有采用非周期性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)左手特性的文獻報道。 因此，科學(xué)家面臨的問題是這種獨特的現(xiàn)象是否只能依靠周期性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。特別是當左手 材料的研究進入近紅外及可見光波段時，這一點問題將會顯得尤為重要，因為不管采用物理 刻蝕還是化學(xué)方法，要制備具有納米尺寸的作為左手材料構(gòu)成部分的周期性開口諧振環(huán) (SRRs)結(jié)構(gòu)將變得異常困難。
最近，新的研究結(jié)果表明采用非周期性的輪廓線可以實現(xiàn)微波段的負折射現(xiàn)象，而且負 磁導(dǎo)率也可以通過外加電磁場所激發(fā)的等離子體諧振產(chǎn)生。我們的研究小組提出了一種用以 實現(xiàn)負磁導(dǎo)率的準周期樹枝狀結(jié)構(gòu)模型，并且理論研究結(jié)果已經(jīng)證實這種由開口六邊形結(jié)構(gòu) 組成的準周期樹枝狀結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)類似開口諧振環(huán)的磁諧振響應(yīng)。同時，實驗研究也已經(jīng)證 實這種樹枝狀結(jié)構(gòu)以及由這種樹枝狀結(jié)構(gòu)和金屬桿陣列組成的超材料可以實現(xiàn)微波段的負磁 導(dǎo)率和亞波長成像。進一步的實驗研究也已經(jīng)證實采用化學(xué)電沉積的方法制備的金屬樹枝狀 結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)紅外波段的負磁導(dǎo)率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的超材料，它由附著在玻璃基片上的金屬銅樹 枝狀單元和金屬銀顆粒薄膜組成平板夾心型結(jié)構(gòu)。其中金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)材料在紅外波段會產(chǎn)
生類似于左手材料中開口諧振環(huán)的磁諧振響應(yīng)，金屬銀顆粒薄膜可以實現(xiàn)負的介電常數(shù)。這 種基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的紅外波段超材料可產(chǎn)生類似于傳統(tǒng)左手材料的左手透射特性，并且實現(xiàn) 紅外波段的平面聚焦效應(yīng)。
本發(fā)明中的基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的超材料，其中用于實現(xiàn)紅外波段負磁導(dǎo)率的銅樹枝狀結(jié)構(gòu) 和用于實現(xiàn)負介電常數(shù)的銀顆粒薄膜均采用化學(xué)電沉積的方法進行制備。其中銅樹枝狀結(jié)構(gòu) 材料制備中，可以通過調(diào)節(jié)化學(xué)電沉積過程中的參數(shù)，如電解液的濃度，沉積溫度和時間， 生長電極的尺寸，以及電壓等，對所制得的樹枝狀結(jié)構(gòu)參數(shù)進行有效的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)不同 波長的磁諧振響應(yīng)；而通過調(diào)節(jié)金屬銀顆粒薄膜過程中的各種電沉積參數(shù)可以在一個較寬的 波長范圍內(nèi)實現(xiàn)負的介電常數(shù)，使得所制備的樹枝狀結(jié)構(gòu)的諧振波長正好落入該波長范圍內(nèi)， 從而實現(xiàn)二者組合后所制備的超材料的左手特性。


圖1銅樹枝狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)及掃描電鏡照片
圖2銅樹枝狀結(jié)構(gòu)和銀顆粒薄膜以及由二者組合而成的超材料的紅外透射譜線 圖3銅樹枝狀結(jié)構(gòu)與銀顆粒薄膜組合而成的平板夾心型超材料 圖4基于樹枝狀結(jié)構(gòu)材料平板透鏡聚焦實驗裝置 圖5基于樹枝狀結(jié)構(gòu)材料的平面聚焦實驗結(jié)果
具體實施例方式
1. 電解液的制備銅樹枝狀結(jié)構(gòu)的制備采用硫酸銅與硫酸的混合溶液，分別稱取不同質(zhì) 量的CuSCV5H20和濃H2S04溶于一定量的水中，充分攪拌溶解，得一藍色透明溶液待用； 銀顆粒薄膜的制備采用硝酸銀與聚乙二醇-400 (PEG-400)的混合溶液，分別稱取不同量的 L18mMAgNO3和PEG-400:H2O-l:9(v/v)溶于一定量的水中，充分攪拌溶解，得一無色透明溶 液待用。
2. 電極的制備銅樹枝狀結(jié)構(gòu)的制備過程中陽極為傳統(tǒng)的環(huán)形銅電極，根據(jù)實驗中所用 的培養(yǎng)皿的內(nèi)徑的大小使用不同直徑的環(huán)形銅電極，陰極采用直徑為5nm的碳纖維，其制備 過程為，在光學(xué)顯微鏡下從一束碳纖維中取出一根直徑5tim的碳纖維作為電沉積的陰極點； 銀顆粒薄膜的制備過程中陽極為金屬銀平板電極，陰極為厚度為1.0證，長2.0cm，寬1.0cm 的ITO導(dǎo)電玻璃。
3. 基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的超材料的制備將所制備的金屬銅樹枝狀結(jié)構(gòu)疊加在金屬銀顆粒薄 膜之上即可得一種基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的平板夾心型超材料，其中心玻璃基板厚度為220nm， 一
側(cè)金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)厚度為200~300nm，直徑l~5mm，另一側(cè)金屬顆粒薄膜的厚度為40~60nm, 長度l~5mm， 寬度lmm。
4.平面聚焦實驗裝置平面聚焦實驗裝置主要由紅外發(fā)射器，頻率范圍0.8nm~3.0pm， 紅外接收器，頻率范圍0.8~2.8pm，樣品支架，兩個最小步進為5.(Vm的三維定位器以及基 地組成，其中三維定位器的主要作用是保證紅外光源、樣品和紅外接收器處于同一水平面上， 并且可以在聚焦點附近的三維方向上測試透過光線的強度。
本發(fā)明的實現(xiàn)過程和材料的性能由實施例和

實施例一所用電解液為0.1M CuSCV5H20和1.0M H2SCU的混合溶液，將電解液加入 電解池中，使得所加入的電解液的量以剛好覆蓋置于電解池中的蓋波片為限，陽極為環(huán)形銅 電極，陰極為碳纖維電極。調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源的電壓為10V，接通回路開始電沉積，回路中 的電流在1.0mA左右?？刂齐姵练e的時間2小時，得到有效尺寸為4.0mm的銅樹枝狀結(jié)構(gòu)材 料。樣品的光學(xué)顯微照片與掃描電鏡照片如附圖1所示。樣品的紅外透射譜測量在 FT/IR470Plus傅立葉變換紅外光譜儀(光斑直徑為4.0mm)上進行，測量結(jié)果見附圖2 a。
實施例二所用電解液為1.18mMAgN03和PEG-400:H2Ol:9(v/v)的混合溶液，將電解 液加入電解池中，并將金屬銀片陽極和切割好的ITO導(dǎo)電玻璃插入電極池中，使得ITO導(dǎo)電 玻璃的導(dǎo)電面和金屬銀片嚴格對應(yīng)，其間距保持在5.0cm左右。整個電沉積系統(tǒng)置于冰水浴 中，從而保持電解池中的電解液的溫度在整個電沉積的過程中不高于5'C，并且在整個電沉 積的過程中使用磁力攪拌器均勻攪拌電解液。調(diào)解直流穩(wěn)壓電源的電壓為1.5V，接通回路開 始電沉積，回路中的電流在0.6mA左右。控制電沉積的時間在30min左右，制得金屬銀顆粒 薄膜。樣品的紅外透射譜測量在FT/IR-470Plus傅立葉變換紅外光譜儀(光斑直徑為4.0mm) 上進行，測量結(jié)果見附圖2b。
實施例三將所制備的金屬銅樹枝狀結(jié)構(gòu)疊加在金屬銀顆粒薄膜之上即可得如附圖3所 示一種基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的平板夾心型超材料，其中心基板厚度為220nm，金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)厚 度為20(K300nm，直徑1 5mrn，金屬顆粒薄膜的厚度為40 60nrn,長度和寬度均為l~5mm。 并采用FT/IR~470Plus傅立葉變換紅外光譜儀測量其紅外透射行為，測量結(jié)果見附圖2c。
實施例四將基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的超材料置于附圖4所示的平面聚焦實驗裝置中，使得光 源與超材料的表面之間的距離控制在2.15mm，紅外測量探頭的表面緊貼超材料的另一面，首 先沿Z方向以5.(Hmi的間隔連續(xù)掃描，確定光強最大值點，然后以該光強最大值點為中心，
在Y、 Z方向上以5.0pm的間隔連續(xù)掃描，以所獲得的光強值與Y、 Z軸方向的距離作圖， 即可得光源經(jīng)過平板透鏡聚焦后的像點如附圖5a所示。以相同的方法可得光源經(jīng)含有樹枝狀 結(jié)構(gòu)的超材料后在X、 Y軸方向上的光強分布見圖5b、 c所示。
權(quán)利要求
1. 一種基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的紅外波段超材料，該超材料是由金屬銅樹枝狀結(jié)構(gòu)和金屬銀顆粒薄膜組合而成，其主要特征是通過調(diào)節(jié)金屬銅樹枝狀結(jié)構(gòu)各分支的長度、寬度和厚度，以及組成金屬銀顆粒薄膜的厚度使得該超材料在紅外波段表現(xiàn)出左手材料特征響應(yīng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的金屬銅樹枝狀結(jié)構(gòu)，其特征是制備過程為，電解液是0.2M CuS04 5H20和1.0M H2S04的混合溶液，陰極為直徑5μm的碳纖維，陽極為環(huán)形銅 電極(外徑、內(nèi)徑和厚度分別為15mm、 12mm和2mm)，基底為普通玻璃(長、寬、 厚分別為20mm、 10mm和220μm)，沉積電壓6 15V，整個制備過程在冰水浴中進 行?？刂齐姵练e時間在30min到120min，從而使得制備樣品直徑范圍為1 5mm之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的金屬銀顆粒薄膜，其特征是制備過程為，電解液為1.18mMAgN03 和PEG-400:H2O=l:9(v/v)的混合溶液，以導(dǎo)電玻璃(長、寬、厚分別為20mm、 10 mm 和1.0mm)為陰極，高純石墨電極(長、寬、厚分別為20mm、 10mm和1.0mm)為 陽極。沉積電壓為1.5V，整個制備過程在冰水浴中進行?？刂齐姵练e的時間小于 30min，使得制備樣品厚度小于60nm。
4. 如權(quán)利要求1所述基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的紅外波段超材料，其特征是制備過程為，將所制 備的金屬銅樹枝狀結(jié)構(gòu)疊加在金屬銀顆粒薄膜之上即可得一種基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的平 板夾心型超材料，其中心玻璃基板厚度為220μn， 一側(cè)金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)厚度為 200 300nm，直徑l~5mm，另一側(cè)金屬顆粒薄膜的厚度為40 60nm,長度與寬度均為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的紅外波段超材料，具體來說涉及一種由金屬銅樹枝狀結(jié)構(gòu)和金屬銀顆粒薄膜組合而成的平板夾心型超材料，組成該超材料的金屬銅樹枝狀結(jié)構(gòu)和銀顆粒薄膜均采用化學(xué)電沉積的方法制得。本發(fā)明利用包含有六邊形開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的準周期金屬銅樹枝狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了紅外波段的磁諧振響應(yīng)，金屬銀顆粒薄膜在相應(yīng)的紅外波段實現(xiàn)負介電常數(shù)，使得由二者組合而成的超材料在該紅外波段顯示出左手材料特征響應(yīng)。
文檔編號G02F1/35GK101206374SQ20061010522
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月21日
發(fā)明者輝 劉, 趙曉鵬 申請人:西北工業(yè)大學(xué)