[发明专利]一种大面积二维超构材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种超构材料的制备方法，尤其涉及的是一种大面积二维超构材料的制备方法。

背景技术

目前，超构材料(Metamaterials)由于其独特的电磁响应及其在负折射材料、完美透镜和隐身材料等方面的广泛应用前景，而受到人们的广泛关注。如何快捷有效的制备大面积，尤其是厘米级的超构材料始终是人们关注的热点问题。迄今为止，制备超购材料的方法主要有电子束曝光技术(electron-beamlithography)(参见S.Linden et al.，Science 306，1351，2004.)、聚焦离子束技术(focused-ion beam)(参见T.J.Yen et al.Science 303，1494，2004.)、纳米压印技术(nanoimprint lithography)(参见N.Feth，C.Enkrich，M.Wegener，S.Linden，Opt.Express，15，501，2007.)等。超构材料的典型设计包括开口共振环和渔网结构等。电子束曝光技术在制备大面积超构材料时有价格昂贵、时间长的缺点。聚焦离子束技术有省时高效的优点，与电子束曝光技术相比也不需要后续处理，但它也有价格昂贵的缺点。纳米压印技术只能制备简单的结构。开口共振环对于超构材料制备拥有一些与众不同的优势，特别是共振性质和三维超构材料。但是利用简单的纳米压印技术却不能制备这种开口共振环结构。因此制备价格便宜的大面积超构材料是非常困难的。

纳米球刻印技术最初是用来制备二维纳米颗粒阵列。这种方法首先是通过单分散的胶体微球自组装技术在平整衬底上排成六角密排的二维胶体晶体(参见J.Sun et al.，Langmuir，26，7859，2010.)；以此胶体晶体为掩膜板，通过微球与微球之间空隙，在衬底上沉积所需的材料，，在去除微球之后就在衬底上得到三角形纳米颗粒的二维有序阵列。在这种方法中，颗粒尺寸和间距可以通过控制胶体球的尺寸实现控制。这种技术具有操作简单、成本低廉。例如，Giessen组(Gwinner M.C.，Koroknay E.，Fu L.，et al.，Small，5，400，2009.)采用由聚苯乙烯微球组成的二维胶体晶体为掩模，通过精确控制温度和加热时间，使聚苯乙烯微球发生溶胀，从而使得微球之间的三角形空隙变成一个纳米孔，再通过旋转衬底，使得通过微球之间的沉积物在衬底上的沉积位置随着模板的旋转而发生变化，从而在衬底上制备具有开口的金属纳米环结构。

本申请中使用的胶体晶体微球自组织方法，参见中国发明专利，申请号：200910232604.8，名称为一种大面积单畴二维胶体晶体的制备方法，实现了在衬底上制备大面积单畴二维胶体晶体。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种大面积二维超构材料的制备方法，不需要采用电子曝光技术等复杂技术即可制备厘米级的大面积超构材料，将工艺流程简单化，并且节约了成本。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：(1)在衬底上排列大面积二维六角密排胶体晶体；

(2)采用角度分辨的物理沉积方法，以步骤(1)中获取的胶体晶体作为掩模板，透过胶体晶体的微球间的孔隙，在衬底上沉积出三角形的金属纳米颗粒；

(3)去除胶体晶体微球，在衬底上得到二维金属纳米结构的超构材料。

所述的超构材料的结构是若干基本单元构成的二维点阵结构，每个基本单元是四个相同的子单元构成的开口相对的结构。

所述的每个子单元是由三条相同的圆弧线两两相连构成的区域，其中的两个子单元的底边部分重叠，两个子单元间形成一个开口，另外的两个子单元和前两个子单元呈180°对称，四个子单元的两个开口是相对的。

每个子单元的形状类似三角形，所以将该超构材料称为双三角结构的超构材料。

所述的步骤(1)中胶体晶体是单畴晶体。

所述的步骤(1)中衬底是石英片、硅片或载玻片。

所述的步骤(1)中，将单分散的胶体微球的悬浊液注入衬底，静置干燥时，单分散状态的胶体微球在毛细力作用下发生自组织，形成有序的大面积二维六角密排结构胶体晶体。

所述的步骤(1)中，胶体晶体的微球的直径是200nm～10μm。

所述的步骤(2)中物理沉积方法是真空镀膜方法。

所述的步骤(2)中在胶体晶体微球的球面法线两侧以相同角度分别沉积金属，并且沉积角度小于16°。

所述的步骤(2)中金属沉积的方向在衬底上的投影沿着最近邻微球的连线方向。