[發明專利]基于鐵電陶瓷顆粒的電場可調諧負磁導率器件及制備方法

有效

• 申請號: 200710176727.5
• 申請日: 2007-11-02
• 公開（公告）號: CN101150217A
• 公開（公告）日: 2008-03-26
• 發明（設計）人: 周濟;趙乾;康雷;杜波;趙宏杰;李勃
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01P1/217
• 分類號: H01P1/217;H01P1/215
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于鐵電陶瓷顆粒的各向同性負磁導率器件，特別涉及一種電場可調諧負磁導率器件。

背景技術

左手材料(Left-handed?metamaterials，LHMs)的研究是當前物理學、材料學與電磁學等研究領域中的前沿與熱點問題，有著廣泛的應用前景。LHMs的有效介電常數和磁導率在某一頻段同時小于零，通常實現LHMs的典型結構是金屬開口諧振環(SRRs)和金屬線的復合結構。周期性排列的SRRs陣列的磁導率在其磁諧振頻率附近較窄的頻段內為負，而周期排列的金屬桿陣列，在小于其等離子體頻率的較寬頻段內具有負的介電常數。因而，介電常數和磁導率實現的不重疊性，導致負磁導率的實現對于LHMs的制備起著至關重要的作用。

通常，金屬結構單元的磁響應主要由其等效電容和等效電感所決定，即受其幾何尺寸、環境介電常數和磁導率的影響。通過設計不同幾何尺寸的結構單元和選用不同介電常數的介質基板來實現所需頻段的磁諧振，從而實現負的磁導率。但該方法是一種被動式設計，存在很多缺點。如LHMs的結構單元一經設計并加工，其磁響應頻率和左手頻段就不可改變，限制了其實際應用范圍。因而，設計一種動態可調諧LHMs就顯得尤為重要。

另外，基于金屬結構單元的LHMs的電磁響應特性是各向異性的，即僅在某一個方向上具有負的電磁參數，大大限制了其應用范圍。盡管利用金屬結構單元實現紅外和可見光波段LHMs的研究取得了喜人的進展，但是由于金屬結構單元的幾何形狀通常較復雜，利用現有的微加工技術制備微納米結構單元較為困難并且價格昂貴。同時，金屬在紅外和可見光波段的損耗很大，因而限制了其電磁性能的實現。

發明內容

本發明的目的是利用鐵電陶瓷顆粒在不同電場下敏感的介電響應行為，提供一種基于鐵電陶瓷顆粒的電場可調諧各向同性負磁導率器件及其制備方法。

本發明的技術方案如下：

一種基于鐵電陶瓷顆粒的電場可調諧各向同性負磁導率器件，其特征在于：所述器件由兩塊平行設置的金屬電極板，設置在兩電極板間的多塊層疊的聚四氟乙烯模板，鐵電陶瓷顆粒和直流電源組成；每塊聚四氟乙烯模板上設有圓孔陣列，所述的鐵電陶瓷顆粒嵌入圓孔內；該器件利用電場對鐵電陶瓷顆粒介電常數的調節特性來實現所述負磁導率的可調諧性。

本發明所述鐵電陶瓷顆粒的介電常數為600～2000；所述聚四氟乙烯模板上的圓孔陣列呈正方形分布且晶格常數為1.0～3.0mm。所述的鐵電陶瓷顆粒采用邊長為0.45～1.8mm的鐵電陶瓷立方塊或直徑為0.5～2.6mm鐵電陶瓷球。

本發明還提供了一種基于鐵電陶瓷顆粒的電場可調諧各向同性負磁導率器件的制備方法，該方法包括如下步驟：

1)利用陶瓷漿料流延技術，將鐵電陶瓷粉體與MgO粉體按質量百分比濃度0～20％混合并與有機溶劑配成漿料進行流延，得到不同厚度的流延片；

2)將流延片割成邊長為0.5～2.3mm的立方塊并在300～500℃進行排膠，最后在1300～1500℃燒結3～6個小時，得到邊長為0.45～1.8mm的鐵電陶瓷立方塊或者將之磨成直徑為0.5～2.6mm的鐵電陶瓷球。

3)在1.0～3.0mm厚的聚四氟乙烯板上制備出圓孔陣列，圓孔呈正方形分布且晶格常數為1.0～3.0mm；將陶瓷立方塊或陶瓷球嵌入到聚四氟乙烯模板的圓孔內，制得二維陶瓷顆粒陣列；

4)再將嵌有陶瓷顆粒的聚四氟乙烯板圓孔對準進行層疊粘結，得到三維陶瓷顆粒陣列；最后將三維陶瓷顆粒陣列與兩個平行設置的金屬電極板粘合在一起；

5)通過調節電源電場的大小來調節鐵電陶瓷顆粒的介電常數，從而得到電場可調諧各向同性負磁導率器件。

上述方法中，所述的鐵電陶瓷粉體優選采用Ba_xSr_1-xTiO₃粉體，其中x為0.4～0.6。

本發明具有以下優點及突出性效果：本發明利用陶瓷顆粒在不同電場下敏感的介電響應行為，實現可調諧的負磁導率。該器件能使電磁波在某一頻段發生很強的磁諧振，并且在磁諧振附近具有各向同性負磁導率效應，利用電場對鐵電陶瓷顆粒介電常數的調節特性來實現其負磁導率的可調控性。該項發明為左手材料賦予了智能特性，并將應用于可調帶通濾波器、可調負折射率平板透鏡、可調隱身器件等光電器件和通訊領域。該項發明具有重要的學術意義和應用價值。

附圖說明

圖1基于鐵電陶瓷顆粒的電場可調諧負磁導率器件示意圖。