[发明专利]一种可调谐的平板电磁波吸收材料

说明书

技术领域

本发明属于电磁功能材料技术领域，涉及电磁波吸收材料，特别涉及可调谐的电磁波平面型吸收材料。

背景技术

超颖材料(Metamaterial)，或者又叫特异材料，是一种由亚波长人工单元按照一定规律排列所构成的人工电磁煤质。其中由于人工单元的尺寸远小于工作波长，因此相对于工作波长而言是一种性能均匀的材料。超颖材料的优点在于可以通过调节人工单元的结构、尺寸和分布形式来任意控制材料的电磁属性，从而获得多种新颖的特性。例如利用超颖材料可以制备左手材料，完美透镜以及光波段的隐身衣等。而这些特性，是自然物质没有或者很难实现的。组成超颖材料的最常用的人工单元包括有限长线条(Cut Wires)和开口环共振器(Split Ring Resonator，SRR)等。

2008年美国波士顿大学H.Tao等人利用Metamaterial设计了一类三层式的电磁波吸收材料，该材料具有接近100％的电磁波窄带吸收效率，被称为完美吸收材料(Perfect absorber)。以一个典型的单元为例，这种吸收材料具有三层结构，其中底层为长方形的金属条，第二层为隔离层(例如聚酰亚胺介质层)，第三层为Metamaterial。2008年提出的这种吸收材料在制备过程中需要多步光刻以及对准等过程，研制相对复杂，其最大吸收率达到70％。随后，H.Tao等人提出了一种改进型的基于Metamaterial的电磁波吸收材料，与第一种材料的区别是其底层的金属条变成了连续金属薄膜。这类吸收材料在制备上只需要一道光刻步骤，简化了光刻工艺以及对准过程，因而其制备更加容易。同时，这种材料因为引入了连续金属薄膜作为底层，电磁波不能够穿过整个材料，使得这种吸收材料对0-50度角入射的电磁波均具有90％以上的强吸收。

基于Metamaterial的三层式电磁波吸收材料的吸收机理如下：首先，通过设计和优化Metamaterial人工单元的结构、尺寸和排列方式，调节吸收材料在某个特定频率(称为中心吸收频率)的阻抗Z(w)与自由空间相匹配(即吸收材料的有效介电常数ε_eff与有效磁导率μ_eff相等)，这时该频段的电磁波完全进入吸波材料中而几乎不被反射，因此反射率R接近于零；其次，底层金属平面层使得电磁波不能透过该材料，使得透射率也为零。这样，电磁波就会被完全限制在该材料的内部直至被介质层或者金属层完全损耗。理论上该材料可以实现窄带的100％的电磁波吸收。而中心频率是由超颖材料对入射电磁波的电感-电容谐振(LC谐振)频率所决定的。通过适当的缩小和放大材料的尺寸，这种接近完美吸收的新型材料可以应用于微波，太赫兹波甚至光波段。在电磁波吸收、抗电磁干扰、隐身技术、相位成像，光谱检测以及热发射等领域均具有十分重要的价应用值。

然而，目前已有的基于Metamaterials的电磁波吸收材料都是被动式的，一旦制备完成之后，其吸收性能也就确定了。而目前日益复杂的电磁应用环境需要主动式的可调谐吸收材料，例如可以根据电磁环境的变化改变吸收频率，或者实现对电磁波吸收程度的控制等等。

发明内容

本发明提供一种可调谐的平板电磁波吸收材料，该电磁波吸收材料在现有基于Metamaterial的三层式电磁波吸收材料基础上，增加了一层氧化钒相变材料，借助于热、电场或者激光调制，通过触发氧化钒相变材料的绝缘-金属相变，可实现从电磁波吸收器向反射器的变换，获得高达70％的电磁波吸收幅度调制。该材料可用于微波、太赫兹波以及光波段的电磁保护、隐身技术、波谱探测以及热辐射等。

本发明技术方案为：

一种可调谐的平板电磁波吸收材料，如图1所示，包括金属反射层2、介质层3、氧化钒相变材料层4和超颖材料层5；其中，介质层3位于金属反射层2和氧化钒相变材料层4之间，氧化钒相变材料层4位于介质层3和超颖材料层5之间。所述金属反射层2为连续金属薄膜，其厚度大于所述平板电磁波吸收材料工作电磁波的趋肤深度，起到阻止电磁波透射的作用；所述介质层3可以采用聚合物介质材料、无机陶瓷介质材料、玻璃类非晶材料或者常用的单晶基片材料；所述氧化钒相变材料层4由薄膜制备工艺制备于介质层3表面，具备绝缘相-金属相的相变特征；所述即超颖材料层5是由金属薄膜制备工艺及光刻工艺制备于氧化钒相变材料层4表面的、亚波长尺度的金属人工结构单元周期性排列而成。所述亚波长尺度的金属人工结构单元可以是各种开口环共振器(SRR)，或者金属线条(Cut-wires)等。