[发明专利]一种三维超构材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种三维超构材料，具有多个周期性分布的U形结构，每个U形结构对应图像中的一个像素点，所有U形结构共同组成所需图像；U形结构由两臂及连接两臂的底部构成，两臂与Z轴同向且相邻U形结构的臂相互独立不接触，底部与X轴的夹角为θ，0°≤θ≤90°；进一步的，本发明还公开这种三维超构材料的制备方法，以及基于这种三维超构材料的灰度编码和显示方法及二值编码和显示方法。通过设计特定的金属结构单元引入额外自由度调控电磁波的物理性质，可以使超构材料对不同频率的电磁波实现选择性吸收，对不同偏振态的电磁波实现全吸收、部分吸收或全反射，由此可在编码与成像技术中有着重要应用。

技术领域

本发明属于光电信息功能器件与新能源材料技术领域，具体地涉及一种基于U形结构且可用于灰度编码和显示以及二值编码和显示的三维超构材料。

背景技术

二值显示与编码在通讯、计算等方面有着重大应用。过去利用人工微结构和超构材料设计的二值显示与编码材料，都是基于二维结构超构表面来实现的，而由于其可编码自由度少，灵活程度受到限制。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种基于U形结构的新型三维超构材料，相较于传统的超构表面，通过设计特定的金属结构单元引入额外自由度调控电磁波的物理性质，可以使超构材料对不同频率的电磁波实现选择性吸收，对不同偏振态的电磁波实现全吸收、部分吸收或全反射；并且由于该性质，本发明所公开的三维结构可在编码与成像技术中有重要应用。

本发明公开一种三维超构材料，具有多个周期性分布的U形结构；U形结构由两臂及连接两臂的底部构成，两臂与Z轴同向且相邻U形结构的臂相互独立不接触，底部与X轴的夹角为θ，0^°≤θ≤90^°；每个U形结构对应图像中一个像素点，所有U形结构共同组成所需图像。

进一步的，各U形结构的整体高度一致，与X轴的夹角为θ，不同θ角度对应的U形结构对同一偏振方向的入射光吸收的强弱程度不同，对应一种灰度显示。

进一步的，U形结构的周期4±0.5微米；

进一步的，所述U形结构的高度为1.5～2.3微米。

进一步的，U形结构的底部的高度为0.7±0.1微米，底部的长为2±0.2微米，线宽为0.3±0.05微米。

进一步的，三维超构材料的厚度为40±5纳米。

本发明还公开一种三维超构材料的制备方法，包括如下步骤：

在涂有光刻胶的介质衬底上利用显影液进行显影后呈现多个周期性分布的U形结构支撑模型；再在U形结构支撑模型和衬底表面镀一层厚度均匀的金属薄膜，从而制备出上述三维超构材料；金属薄膜采用银膜、金膜或合金膜。

本发明还公开一种灰度编码与显示的方法，其特征在于：基于上述三维超构材料，通过对图像中各像素点对应的U形结构底部与X轴的夹角θ的不同设计，实现图像黑白灰色彩显示；通过改变像素点对应的U形结构的高度实现对不同频率入射光的选择性吸收。

本发明还公开一种二值编码与显示的方法，其特征在于：上述三维超构材料，底部与X轴的夹角θ取0°或90°，通过改变入射光的偏振方向来显示不同二值图像；通过改变像素点对应的U形结构的高度实现对不同频率入射光的选择性吸收。

本发明的有益效果是：

(1)相较于传统的超构表面，本发明所公开的三维超构材料通过周期性分布的特定U形结构引入了额外自由度以灵活地调控电磁波的物理性质，大大提高了编码的自由度，使其在编码与成像技术中能有更重要的应用。

(2)通过设计特定的U形结构单元，可以使超构材料对不同偏振态的电磁波实现全吸收、部分吸收或全反射，该特点是常规材料很难达到的。