基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料及其制备
【专利摘要】本发明提供一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料及其制备，所述超材料包括：柔性的parylene?C衬底和三维欧姆结构，三维欧姆结构由下层parylene?C电介质层和上层金属层组成；三维欧姆结构为欧姆环或欧姆圆。本发明利用残余应力及热膨胀系数不同的电介质和金属组成三维欧姆结构，通过电流或温度控制三维欧姆结构与parylene?C衬底的相对旋转角度来实现对电磁响应的共振频率的连续调谐。本发明结构设计新颖，加工工艺简单，无需牺牲层，且可以实现超材料的非平面应用，同时实现超材料与入射电磁波的电磁响应共振频率的连续调谐。
【专利说明】
基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料及其制备
技术领域
[0001]本发明涉及的是一种微纳加工工艺的器件，具体是一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料及其制备。
【背景技术】
[0002]超材料主要是指那些根据应用需求，按照人的意志，从原子或分子设计出发，通过严格而复杂的人工设计与加工制成的具有周期性或非周期性人造为结构单元排列的复合型或混杂性材料。这类材料可呈现天然材料所不具备的超常物理性能，即负折射率、负磁导率、负介电常数等奇特性能。超材料的特性可应用于功能性器件的开发，如表面等离子体光子芯片、滤波器、耦合器，调制器和开关，超衍射极限高分辨成像、生物传感器、探测器的应用及军用隐形材料等。目前广泛研究的超材料主要包括左手材料、电磁超材料、光学超材料、太赫兹波段超材料等。
[0003]微纳加工技术主要是指在很小或很薄的工件上进行小孔、微孔、微槽、微复杂表面的加工。微纳加工技术的发展为超材料的制备提供了便利，也进一步促进了超材料的发展，可以加深对超材料电磁响应特性的理解。
[0004]目前，柔性超材料倍受国内外研究学者的关注，主要研究的柔性衬底有聚二甲硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙二酯(PEN)、聚对二甲苯(Parylene)等。相比于传统的玻璃片、硅片等硬性衬底，超材料制做在柔性衬底上使得其应用更加广泛，如拉伸、弯曲以及不规则的曲面应用。其中，parylene具有优良的机械、物理、电学及阻隔性能，因此被广泛应用在纳米、电子及医学行业。工业应用中采用化学气相沉积的方法可以获得几百埃到几毫米的parylene薄膜。这种方法可以使parylene分子完全进入裂缝在曲面表面形成均匀的覆盖层。其中，parylene广泛应用在医学领域是由于其显著的生物相容性及生物稳定性，例如可植入器件。另外，pary Iene具有极好的介电性能，如低介电常数、低损耗及高的绝缘强度，即使薄膜很薄也同样具备这些优良的介电性能。因此，parylene制做柔性衬底具有独特的优势。
[0005]目前，宽频、多频带、调幅、等多种性能集中的超材料结构是当前超材料领域的热点与挑战。经对现有技术文献的检索发现，Che-Chin Chen,Atsushi Ishikawa and Yu-Hsiang Tang等人在《ADVANCED OPTICAL MATERIALS》3，I (2015)中撰文 “Uniaxial-1sotropic Metamaterials by Three-Dimens1nal Split-Ring Resonators，，( “三维的谐振环形成的单轴各向同性的超材料”《先进光学材料》)。该文中提出由三维的四个位置对称的SRRs组成各向同性的红外波段超材料，实现三维SRRs的方法是通过在硅衬底上释放金属层使其通过应力自发地形成三维结构，此方法可以大量制备三维的SRR。但是，该方法实现的超材料不能应用于非平面结构，且工艺需释放牺牲层。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有性能存在的上述不足，提供一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料及其制备方法，利用残余应力与热膨胀系数不同的电介质和金属组成的三维欧姆结构，通过电流或温度控制可以实现对电磁响应的共振频率的连续调谐，制作性能更优、应用更广泛的超材料器件。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0008]根据本发明一个方面，提供一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料，包括:柔性的paryIene-C衬底和三维欧姆结构，其中:三维欧姆结构的末端与paryIene-C衬底相连接，三维欧姆结构的其他部分未与pary Iene-C衬底连接;三维欧姆结构为欧姆环或欧姆圆。
[0009]所述三维欧姆结构由下层parylene-C电介质层和上层金属层组成，下层parylene-C电介质层和金属层的残余应力及热膨胀系数不同，上层金属层和下层parylene-C电介质层刻蚀出欧姆环或者欧姆圆，由于parylene-C电介质层和金属层的残余应力不同，所以欧姆环或者欧姆圆没有与parylene-C衬底连接的部分，parylene-C电介质层会包覆着金属层翘起来形成三维欧姆结构。
[00?0]优选地，所述超材料利用残余应力不同的parylene-C电介质层和金属层组成三维欧姆结构，同时parylene-C电介质层和金属层的热膨胀系数不同，通过电流或温度控制三维欧姆结构与pary I ene_C衬底的相对旋转角度，实现对电磁响应的共振频率的连续调谐，同时实现超材料的非平面应用。
[0011]优选地，所述超材料经过电流或者温度加热，随着电流增大或温度的上升，金属层的热膨胀系数比parylene-C电介质层大，则金属层的形变比parylene-C电介质层大，同时三维欧姆结构的末端与parylene-C衬底相连接，则未连接部分即三维欧姆结构没有与pary Iene-C衬底连接的部分逐渐往下翘，三维欧姆结构与parylene-C衬底的夹角逐渐减小到零即“关”状态；当电流为O或温度恢复到室温时，三维欧姆结构回到初始卷起状态即“开”状态，从而实现三维欧姆结构在“开”状态和“关”状态之间的相互切换。
[0012]根据本发明另一方面，提供一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料的制备方法，即:先用真空气相沉积方法沉积paryIene-C薄膜，再通过磁控派射金属层，然后用传统的甩胶光刻工艺刻蚀出欧姆环或欧姆圆，最后将柔性器件从玻璃基底撕下。
[0013]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0014]本发明利用残余应力及热膨胀系数不同的电介质和金属组成三维欧姆结构，通过电流或温度控制三维欧姆结构与pary I ene_C衬底的相对旋转角度来实现对电磁响应的共振频率的连续调谐。
[0015]本发明结构设计新颖，加工工艺与传统的Si衬底上释放牺牲层的工艺相比更简单，无需牺牲层，且可以实现超材料的非平面应用，同时实现超材料与入射电磁波的电磁响应共振频率的连续调谐，从而设计出了一种性能优异的超材料。
【附图说明】
[0016]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0017]图1为本发明一实施例欧姆环的三维整体结构示意图；
[0018]图2为本发明一实施例欧姆环的的结构俯视图；
[0019]图3为本发明一实施例的结构侧视图；
[0020]图4a、4b为本发明一实施例欧姆环释放后翘起来的“开”状态三维整体结构示意图及侧视图；
[0021]图5a、5b为本发明一实施例欧姆环在电流或热驱动的作用下往下翘的“关”状态三维整体结构示意图及侧视图；
[0022]图6为本发明另一实施例欧姆圆的三维整体结构示意图；
[0023]图7为本发明另一实施例欧姆圆的的结构俯视图；
[0024]图8a、8b为本发明另一实施例欧姆圆释放后翘起来的“开”状态三维整体结构示意图及侧视图；
[0025]图9a、9b为本发明另一实施例欧姆圆在电流或热驱动的作用下往下翘的“关”状态三维整体结构示意图及侧视图；
[0026]图中:欧姆环1、欧姆环末端11、欧姆圆2、欧姆圆末端21、parylene-C膜3、pary Iene-C 电介质层 31、parylene_C 衬底 32、金属层 4。
【具体实施方式】
[0027]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0028]如图1所示，为本发明一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料的一实施例，该实施例中三维欧姆结构采用欧姆环，具体的，所述超材料包括:柔性的paryIene-C衬底32和欧姆环I，其中:欧姆环末端11与parylene-C衬底32相连接，欧姆环2的其他部分未与parylene-C衬底连接;除欧姆环末端11与pary Iene-C衬底32相连接，欧姆环I其余部分经释放后卷曲起来。
[0029]本实施例中，所述欧姆环I的直径小于柔性的parylene-C衬底32的边长。
[0030]如图2所示，本实施例中的基本单元，即如图1所示由欧姆环I组成的器件，在OXY平面内周期分布。
[0031]如图3所示，所述的欧姆环I包括下层parylene-c电介质层31和上层金属层4，上层金属层4和下层pary Iene-C电介质层31刻蚀出欧姆环I或者欧姆圆2，下层parylene-C电介质层31和上层金属层4的残余应力及热膨胀系数不同，对于欧姆环I没有与paryIene-C衬底32连接的部分，parylene-C电介质层31会包覆着金属层4翘起来形成三维欧姆结构。
[0032]本实施例中，所述的parylene-C电介质层31和parylene-C衬底32为同一厚度的parylene-C膜3的不同部分，如图1所示，parylene-C电介质层31组成欧姆环I结构中的电介质层，其余部分parylene-C膜形成parylene-C衬底32;其中，parylene_C膜由真空气相沉积方法制备生成，其厚度<5μπι。
[0033]如图4a、4b所示，位置A为欧姆环I释放后由于表面应力而翘起来的状态，此时向上角度最大，欧姆环I与pary Iene-C衬底32之间的电容最小，共振频率最大。
[0034]如图5a、5b所示，位置B为欧姆环I在电流或热驱动的作用下往下翘的状态，此时角度为零，欧姆环I与pary Iene-C衬底32之间的电容最大，共振频率最小。
[0035]本实施例的工作原理是:
[0036]parylene电介质层31与金属层4的残余应力不同，使得欧姆环I卷曲起来形成三维欧姆结构，利用热膨胀系数不同的pary Iene电介质层31与金属层4组成的欧姆环I通过电流或温度控制其与pary Iene-C衬底32的相对旋转角度来实现对电磁响应的共振频率的连续调谐，即经过电流或者温度加热，随着电流增大或温度的上升，金属层4的热膨胀系数比pary Iene电介质层31的大，则金属层4的形变比parylene电介质层31的大，未连接部分即欧姆环I没有与parylene-C衬底32连接的部分逐渐往下翘，S卩欧姆环I与parylene-C衬底32的夹角逐渐减小到零即“关”状态B;当电流为O或温度恢复到室温时，欧姆环I回到初始卷起来的状态即“开”状态A，实现柔性的欧姆环I在“开”状态和“关”状态之间相互切换。当欧姆环I从“开”状态A转换到“关”状态B时，欧姆环I与parylene-C衬底32之间的距离逐渐变小，其电容变大，整体电容变大，共振频率减小，出现蓝移现象。同时，该结构单元不对称使得对垂直入射电磁波的不同偏振方向响应不同。
[0037]此外，本实施例也可实现其他结构，如由悬臂梁组合的SRR结构；也可实现结构的立体调谐，如热调谐、电热调谐等；同时实现了三维柔性超材料结构及其非平面应用。
[0038]上述超材料采用微纳加工工艺，采用玻璃衬底(一块平整的玻璃片)用作整个器件的支撑层，先用真空气相沉积方法沉积pary I ene-C薄膜，再通过磁控溅射金属层，然后用传统的甩胶光刻工艺刻蚀处欧姆环或欧姆圆，最后将柔性器件从玻璃基底撕下，形成以柔性的pary I ene-C为衬底的柔性超材料，即基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料。整个材料结构设计新颖，加工工艺更简单，无需牺牲层，且可以实现超材料的非平面应用，同时实现超材料与入射电磁波的电磁响应共振频率的连续调谐。
[0039]如图6所示，为本发明基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料的另一实施例，该实施例中三维欧姆结构采用欧姆圆，具体地，所述超材料包括:柔性的paryIene-C衬底32和欧姆圆2，其中:欧姆圆末端21与parylene-C衬底32相连接，其他部分未连接。除欧姆圆末端21与pary Iene-C衬底32相连接，欧姆圆2其余部分经释放后卷曲起来。本实施例其他实施情况与图1所示实施例比较类似。
[0040]本实施例中，所述欧姆圆2的直径小于柔性的parylene-C衬底32的边长。
[0041]如图7所示，本实施例中的基本单元，即如图1所示由欧姆圆3组成的超材料，将在OXY平面内周期分布。
[0042]所述的欧姆圆2包括下层parylene-c电介质层31和上层金属层4，下层paryIene-C电介质层31和上层金属层4的残余应力及热膨胀系数不同。
[0043]本实施例中，所述的parylene-C电介质层31和parylene-C衬底32为同一厚度的pary Iene-C膜4的不同部分，如图6所示，parylene-C电介质层31组成欧姆圆2结构中的电介质层，其余部分parylene-C膜形成parylene-C衬底32;其中，parylene_C膜由真空气相沉积方法制备生成，其厚度<5μπι。
[0044]如图8a、8b所示，位置A为欧姆圆2释放后由于表面应力而翘起来的状态，此时向上角度最大，欧姆圆2与pary Iene-C衬底32之间的电容最小，共振频率最大。
[0045]如图9a、9b所示，位置B为欧姆圆2在电流或热驱动的作用下往下翘的状态，此时角度为零，欧姆圆2与pary Iene-C衬底32之间的电容最大，共振频率最小。
[0046]本实施例的工作原理是:
[0047]parylene电介质层31与金属层4的残余应力不同，使得欧姆圆2卷曲起来形成三维结构，利用热膨胀系数不同的parylene电介质层31与金属层4组成的欧姆圆3通过电流或温度控制其与pary I ene_C衬底3 2的相对旋转角度来实现对电磁响应的共振频率的连续调谐，即经过电流或者温度加热，随着电流增大或温度的上升，金属层4的热膨胀系数比parylene电介质层31的大，则金属层4的形变比pary Iene电介质层31的大，未连接部分即欧姆圆2没有与parylene-C衬底32连接的部分逐渐往下翘，S卩欧姆圆2与parylene-C衬底32的夹角逐渐减小到零即“关”状态B;当电流为O或温度恢复到室温时，欧姆圆2回到初始卷起来的状态即“开”状态A，实现柔性的欧姆圆2在“开”状态和“关”状态之间相互切换。当欧姆圆2从“开”状态A转换到“关”状态B时，欧姆圆2与parylene-C衬底32之间的距离逐渐变小，其电容变大，整体电容变大，共振频率减小，出现蓝移现象。同时，该结构单元不对称使得对垂直入射电磁波的不同偏振方向响应不同。
[0048]综上，本发明所述拆材料的结构设计及加工工艺简单，通过电流或温度控制可以实现对电磁响应的共振频率的连续调谐，以及超材料的非平面应用，其基本原理是paryIene电介质层与金属层的残余应力不同，使得欧姆环或欧姆圆卷曲起来形成三维结构;利用热膨胀系数不同的电介质层和金属层组成的三维欧姆结构通过电流或温度控制三维欧姆结构与parylene-C衬底的相对旋转角度来实现对电磁响应的共振频率的连续调谐。同时，该结构单元不对称使得对垂直入射电磁波的不同偏振方向响应不同。此外，本发明也可实现其他结构，如由悬臂梁组合的SRR结构;也可实现结构的立体调谐，如热调谐、电热调谐等。因此，该结构可用于实现多功能性器件，如滤波器、耦合器、开关和传感器等；以及实现三维的柔性超材料结构。本发明是一种宽频、多频带、调幅、等多种性能集中的超材料结构。
[0049]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【主权项】
1.一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料，其特征在于，包括:柔性的paryIene-C衬底和三维欧姆结构，其中:三维欧姆结构的末端与paryIene-C衬底相连接，三维欧姆结构的其他部分未与parylene-C衬底连接;所述三维欧姆结构为欧姆环或欧姆圆； 所述三维欧姆结构由下层parylene-C电介质层和上层金属层组成，上层金属层和下层paryIene-C电介质层刻蚀出欧姆环或者欧姆圆，下层paryIene-C电介质层和上层金属层的残余应力及热膨胀系数不同，对于欧姆环或者欧姆圆没有与parylene-C衬底连接的部分，pary Iene-C电介质层会包覆着金属层翘起来形成三维欧姆结构。2.根据权利要求1所述的一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料，其特征在于，所述柔性的pary Iene-C衬底由真空气相沉积方法制备生成，其厚度<5μπι。3.根据权利要求1所述的一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料，其特征在于，所述柔性的parylene-C衬底的边长大于欧姆环或欧姆圆的直径。4.根据权利要求1所述的一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料，其特征在于，所述下层pary Iene-C电介质层厚度大于上层金属层厚度。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料，其特征在于，所述超材料利用残余应力不同的pary Iene-C电介质层和金属层组成欧姆环或欧姆圆，同时parylene-C电介质层和金属层的热膨胀系数不同，通过电流或温度控制三维欧姆结构与pary I ene_C衬底的相对旋转角度来实现对电磁响应的共振频率的连续调谐，同时实现超材料的非平面应用。6.根据权利要求5所述的一种基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料，其特征在于，所述超材料经过电流或者温度加热，随着电流增大或温度的上升，金属层的热膨胀系数比paryIene-C电介质层大，则金属层的形变比paryIene-C电介质层大，同时三维欧姆结构的末端与parylene-C衬底相连接，则未连接部分即三维欧姆结构没有与parylene-C衬底连接的部分逐渐往下翘，三维欧姆结构与parylene-C衬底的夹角逐渐减小到零即“关”状态；当电流为O或温度恢复到室温时，三维欧姆结构回到初始卷起状态即“开”状态，从而实现三维欧姆结构在“开”状态和“关”状态之间的相互切换。7.—种权利要求1-6任一项所述的基于三维欧姆结构的超薄柔性电热可调谐超材料的制备方法，其特征在于:先用真空气相沉积方法沉积parylene-C薄膜，再通过磁控派射金属层，然后用传统的甩胶光刻工艺刻蚀出欧姆环或欧姆圆，最后将柔性器件从玻璃基底撕下。
【文档编号】H01Q15/00GK105896096SQ201610297941
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】杨斌, 赵小青, 刘景全, 杨春生
【申请人】上海交通大学