CN100553030C - 基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件及制备方法 - Google Patents

Abstract

基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件及制备方法，该器件由两块平行设置的金属电极板，设置在两电极板间的多块层叠的聚四氟乙烯模板、铁电陶瓷颗粒和直流电源组成；每块聚四氟乙烯模板上设有圆孔阵列，铁电陶瓷颗粒嵌入圆孔内。该器件能使电磁波在某一频段发生很强的磁谐振，并且在磁谐振附近具有各向同性负磁导率效应，利用电场对铁电陶瓷颗粒介电常数的调节特性来实现其负磁导率的可调控性。本发明为左手材料赋予了智能特性，并将应用于可调带通滤波器、可调负折射率平板透镜、可调隐身器件等光电器件和通讯领域。

Description

基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件及制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于铁电陶瓷颗粒的各向同性负磁导率器件，特别涉及一种电场可调谐负磁导率器件。

背景技术

左手材料(Left-handed metamaterials，LHMs)的研究是当前物理学、材料学与电磁学等研究领域中的前沿与热点问题，有着广泛的应用前景。LHMs的有效介电常数和磁导率在某一频段同时小于零，通常实现LHMs的典型结构是金属开口谐振环(SRRs)和金属线的复合结构。周期性排列的SRRs阵列的磁导率在其磁谐振频率附近较窄的频段内为负，而周期排列的金属杆阵列，在小于其等离子体频率的较宽频段内具有负的介电常数。因而，介电常数和磁导率实现的不重叠性，导致负磁导率的实现对于LHMs的制备起着至关重要的作用。

通常，金属结构单元的磁响应主要由其等效电容和等效电感所决定，即受其几何尺寸、环境介电常数和磁导率的影响。通过设计不同几何尺寸的结构单元和选用不同介电常数的介质基板来实现所需频段的磁谐振，从而实现负的磁导率。但该方法是一种被动式设计，存在很多缺点。如LHMs的结构单元一经设计并加工，其磁响应频率和左手频段就不可改变，限制了其实际应用范围。因而，设计一种动态可调谐LHMs就显得尤为重要。

另外，基于金属结构单元的LHMs的电磁响应特性是各向异性的，即仅在某一个方向上具有负的电磁参数，大大限制了其应用范围。尽管利用金属结构单元实现红外和可见光波段LHMs的研究取得了喜人的进展，但是由于金属结构单元的几何形状通常较复杂，利用现有的微加工技术制备微纳米结构单元较为困难并且价格昂贵。同时，金属在红外和可见光波段的损耗很大，因而限制了其电磁性能的实现。

发明内容

本发明的目的是利用铁电陶瓷颗粒在不同电场下敏感的介电响应行为，提供一种基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐各向同性负磁导率器件及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐各向同性负磁导率器件，其特征在于：所述器件由两块平行设置的金属电极板，设置在两电极板间的多块层叠的聚四氟乙烯模板，铁电陶瓷颗粒和直流电源组成；每块聚四氟乙烯模板上设有圆孔阵列，所述的铁电陶瓷颗粒嵌入圆孔内；该器件利用电场对铁电陶瓷颗粒介电常数的调节特性来实现所述负磁导率的可调谐性。

本发明所述铁电陶瓷颗粒的介电常数为600～2000；所述聚四氟乙烯模板上的圆孔阵列呈正方形分布且晶格常数为1.0～3.0mm。所述的铁电陶瓷颗粒采用边长为0.45～1.8mm的铁电陶瓷立方块或直径为0.5～2.6mm铁电陶瓷球。

本发明还提供了一种基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐各向同性负磁导率器件的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)利用陶瓷浆料流延技术，将铁电陶瓷粉体与MgO粉体按质量百分比浓度0～20％混合并与有机溶剂配成浆料进行流延，得到不同厚度的流延片；

2)将流延片割成边长为0.5～2.3mm的立方块并在300～500℃进行排胶，最后在1300～1500℃烧结3～6个小时，得到边长为0.45～1.8mm的铁电陶瓷立方块或者将之磨成直径为0.5～2.6mm的铁电陶瓷球。

3)在1.0～3.0mm厚的聚四氟乙烯板上制备出圆孔阵列，圆孔呈正方形分布且晶格常数为1.0～3.0mm；将陶瓷立方块或陶瓷球嵌入到聚四氟乙烯模板的圆孔内，制得二维陶瓷颗粒阵列；

4)再将嵌有陶瓷颗粒的聚四氟乙烯板圆孔对准进行层叠粘结，得到三维陶瓷颗粒阵列；最后将三维陶瓷颗粒阵列与两个平行设置的金属电极板粘合在一起；

5)通过调节电源电场的大小来调节铁电陶瓷颗粒的介电常数，从而得到电场可调谐各向同性负磁导率器件。

上述方法中，所述的铁电陶瓷粉体优选采用Ba_xSr_1-xTiO₃粉体，其中x为0.4～0.6。

本发明具有以下优点及突出性效果：本发明利用陶瓷颗粒在不同电场下敏感的介电响应行为，实现可调谐的负磁导率。该器件能使电磁波在某一频段发生很强的磁谐振，并且在磁谐振附近具有各向同性负磁导率效应，利用电场对铁电陶瓷颗粒介电常数的调节特性来实现其负磁导率的可调控性。该项发明为左手材料赋予了智能特性，并将应用于可调带通滤波器、可调负折射率平板透镜、可调隐身器件等光电器件和通讯领域。该项发明具有重要的学术意义和应用价值。

附图说明

图1基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件示意图。

图2钛酸锶钡(Ba_0.5Sr_0.5TiO₃)铁电陶瓷的介电常数随外加电场的变化关系。

图3基于铁电陶瓷颗粒(边长为1.00mm)的电场可调谐负磁导率器件的电场可调谐微波透射曲线。

图4基于铁电陶瓷颗粒(边长为1.00mm)的电场可调谐负磁导率器件的电场可调谐磁导率曲线。

图5基于铁电陶瓷颗粒(边长为0.70mm)的电场可调谐负磁导率器件的电场可调谐微波透射曲线。

图中：1-铁电陶瓷颗粒；2-聚四氟乙烯板；3-圆孔；4-金属电极；5-入射电磁波；6-出射电磁波。

具体实施方式

图1为本发明提供的基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件结构示意图，该器件由两块平行设置的金属电极板4，设置在两电极板间的多块层叠的聚四氟乙烯模板2，铁电陶瓷颗粒1和直流电源组成；每块聚四氟乙烯模板上设有圆孔阵列3，每个圆孔内嵌有铁电陶瓷颗粒1；该器件能使电磁波在某一频段发生很强的磁谐振，并且在磁谐振附近具有各向同性负磁导率效应，利用电场对铁电陶瓷颗粒介电常数的调节特性来实现其负磁导率的可调控性。

本发明的工作机理如下：

本发明是一种基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件，其核心是利用铁电陶瓷颗粒的介电常数随电场变化而变化，从而其负磁导率可由电场调控。

Lewin利用有效媒质理论和电磁散射理论研究了由无损耗的介电/磁性颗粒球分散在另一种连续媒质中而形成的复合介质的电磁响应行为，得出有效介电常数和有效磁导率满足如下的理论表达式：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}={\mathrm{\ϵ}}_h[1+\frac{3v}{\frac{F\left(\mathrm{\θ}\right)+{2K}_e}{F\left(\mathrm{\θ}\right)-K_e}-v}]---\left(1\right)$

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}={\mathrm{\μ}}_h[1+\frac{3v}{\frac{F\left(\mathrm{\θ}\right)+{2K}_m}{F\left(\mathrm{\θ}\right)-K_m}-v}]---\left(2\right)$

$K_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_h}{{\mathrm{\ϵ}}_p}---\left(3\right)$

$K_m=\frac{{\mathrm{\μ}}_h}{{\mathrm{\μ}}_p}---\left(4\right)$

$v=\frac{4}{3}\mathrm{\π}{\left(\frac{r}{s}\right)}^3---\left(5\right)$

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{2(\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ})}{({\mathrm{\θ}}^2-1)\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

$\mathrm{\θ}=k_{0}r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_p{\mathrm{\μ}}_p}---\left(7\right)$

其中，ε_p和μ_p分别为颗粒球的相对介电常数和磁导率，ε_h和μ_h分别为连续媒质的相对介电常数和磁导率，r为球半径，s为晶格常数，k₀为自由空间的波矢。有效媒质理论的适用条件是ε_p＞＞ε_h，因而以上各式必须满足长波长近似条件时才有意义。

当(6)式的分母为零时，F(θ)就会变成无穷大，即F(θ)是一个谐振函数。当θ取某些特殊值时，F(θ)可能为负值，从而导致(1)和(2)式也可能小于零，即有效介电常数和磁导率小于零。因而，通过选择适当的材料(球的大小、介电常数和磁导率等)就能够使得其磁导率或介电常数在某一频段为负。该负磁导率的产生是由于电磁场在介电颗粒内诱导了环形位移电流，该位移电流可等效于一个磁偶极子，从而产生一个很强的磁谐振所致。该磁谐振对应于第1级Mie谐振模态。

铁电陶瓷颗粒的介电常数随外加电场、温度、应力等的变化而变化，从而可通过改变电场来调节其介电特性，进而实现负磁导率的电场可调控特性。铁电陶瓷的介电常数随外加电场的变化关系为：

ε_r＝ε_r0/(1+AE²)^1/3

其中，ε_r0和ε_r分别为零场和电场E作用下的相对介电常数，A为唯象系数a与ε_r0的乘积，与具体的材料有关。

首先制备铁电陶瓷颗粒。钛酸锶钡(Ba_xSr_1-xTiO₃(BST)，x＝0.4～0.6)是一种铁电材料，具有高的微波介电常数和低损耗，同时又具有介电可调节特性。采用固相反应合成法制备BST粉体。该方法采用高纯度的BaCO₃、SrCO₃和TiO₂为原料，以如下的方程式进行反应制得BST粉体。

xBaCO₃+(1-x)SrCO₃+TiO₂＝Ba_xSr_1-xTiO₃+CO₂↑

将BaCO₃、SrCO₃和TiO₂按以上配比混合，经球磨、烘干、过筛后，在1100～1300℃煅烧3～6个小时，然后再球磨、烘干制得BST粉体待用。

利用陶瓷浆料流延技术，将BST粉体与一定量的MgO粉体(MgO粉体的质量百分比浓度为0～20％)混合并与有机溶剂配成浆料进行流延，得到不同厚度的流延片，然后将流延片切割成边长为0.5～2.3mm的立方块并在300～500℃进行排胶，最后在1300～1500℃烧结3～6个小时，得到边长为0.45～1.8mm致密的铁电陶瓷立方块1或球磨制得铁电陶瓷球1。

在厚度为1.0～3.0mm的聚四氟乙烯板2上制备出圆孔3阵列，圆孔间距为1.0～3.0mm且呈正方形分布，从而得到聚四氟乙烯模板。将陶瓷立方块或球嵌入到聚四氟乙烯模板的圆孔内，制得二维陶瓷立方块或球阵列。再将嵌有陶瓷立方块或球的聚四氟乙烯板圆孔对准进行层叠粘结得到三维陶瓷颗粒阵列。

最后将三维陶瓷立方块或球阵列与两个平行金属电极4粘合在一起并与高压直流电源连接即制得基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件，通过调节电源电场的大小来调节铁电陶瓷颗粒的介电常数，从而实现电场可调谐负磁导率，入射电磁波5从器件的底端射入，出射电磁波6由顶端射出。

本发明的实现过程和材料的性能由实施例和附图说明：

实施例1：

采用固相反应合成法制备Ba_0.5Sr_0.5TiO₃(BST)粉体。该方法采用高纯度的BaCO₃、SrCO₃和TiO₂为原料，以如下的方程式进行反应制得Ba_0.5Sr_0.5TiO₃粉体。

0.5BaCO₃+0.5SrCO₃+TiO₂＝Ba_0.5Sr_0.5TiO₃+CO₂↑

将BaCO₃、SrCO₃和TiO₂按以上配比混合，经球磨、烘干、过筛后，在1150℃煅烧3个小时，然后再球磨、烘干制得BST粉体待用。

利用陶瓷浆料流延技术，将BST粉体与有机溶剂配成浆料进行流延，得到厚度为1.25mm流延片，然后将流延片割成边长为1.25mm的立方块并在300℃进行排胶，最后在1350℃烧结3个小时，得到边长为1.0mm的的铁电陶瓷立方块。其介电特性随外加电场的变化关系曲线如图2所示，可见其在室温零场下的相对介电常数为2000。

利用数控机床在厚度为2.50mm的聚四氟乙烯板上钻出直径为1.42mm的圆孔阵列，圆孔间距为2.50mm且呈正方形分布，从而得到聚四氟乙烯模板。将陶瓷立方块嵌入到聚四氟乙烯模板的圆孔内，制得二维陶瓷立方块阵列。再将嵌有陶瓷立方块的聚四氟乙烯板圆孔对准进行层叠粘结得到三维陶瓷立方块阵列。

最后将三维陶瓷立方块阵列与两个平行金属铜电极粘合在一起并与高压直流电源连接即制得基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件，通过调节电源电场的大小来调节铁电陶瓷颗粒的介电常数，从而实现电场可调谐负磁导率。其电场可调谐微波透射曲线如图3所示。由图可见，当电场由0变化到2.5kV/mm时，其相应的磁谐振峰由5.5GHz蓝移到9.0GHz。相应的磁导率随电场的变化关系如图4所示，可见实现了磁导率的可调节特性。

实施例2：

同实施例一，利用固相反应合成法制备Ba_0.5Sr_0.5TiO₃(BST)粉体，利用陶瓷浆料流延技术流延并排胶、烧结制得边长为0.70mm的BST陶瓷立方块。其介电特性随外加电场的变化关系曲线如图2所示，可见其在室温零场下的相对介电常数为2000。

利用数控机床在厚度为2.50mm的聚四氟乙烯板上钻出直径为1.00mm的圆孔阵列，圆孔间距为2.50mm且呈正方形分布，从而得到聚四氟乙烯模板。将陶瓷立方块嵌入到聚四氟乙烯模板的圆孔内，制得二维陶瓷立方块阵列。再将嵌有陶瓷立方块的聚四氟乙烯板圆孔对准进行层叠粘结得到三维陶瓷立方块阵列。

将三维陶瓷立方块阵列与两个平行金属铜电极粘合在一起并与高压直流电源连接即制得基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件，通过调节电源电场的大小来调节铁电陶瓷颗粒的介电常数，从而实现电场可调谐负磁导率。其电场可调谐微波透射曲线如图5所示。由图可见，当电场由0变化到2.5kV/mm时，其相应的磁谐振峰由8.0GHz蓝移到13.0GHz。

实施例3：

同实施例一，利用固相反应合成法制备Ba_0.4Sr_0.6TiO₃(BST)粉体，将BST粉体与5wt％MgO粉体混合并与有机溶剂混合配成浆料进行流延，制得厚度为0.57mm的流延片，然后排胶、烧结制得边长为0.45mm的陶瓷立方块，室温零场条件下的相对介电常数为1600。

利用数控机床在厚度为1.00mm的聚四氟乙烯板上钻出直径为0.64mm的圆孔阵列，圆孔间距为1.00mm且呈正方形分布，从而得到聚四氟乙烯模板。将陶瓷立方块嵌入到聚四氟乙烯模板的圆孔内，制得二维陶瓷立方块阵列。再将嵌有陶瓷立方块的聚四氟乙烯板圆孔对准进行层叠粘结得到三维陶瓷立方块阵列。

最后将三维陶瓷立方块阵列与两个平行金属铜电极粘合在一起并与高压直流电源连接即制得基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件。

实施例4：

同实施例一，利用固相反应合成法制备Ba_0.6Sr_0.4TiO₃(BST)粉体，将BST粉体与20wt％MgO粉体混合并与有机溶剂混合配成浆料进行流延，制得厚度为2.30mm的流延片，然后排胶、烧结制得边长为1.80mm的陶瓷立方块，室温零场条件下的相对介电常数为600。

利用数控机床在厚度为3.00mm的聚四氟乙烯板上钻出直径为2.60mm的圆孔阵列，圆孔间距为3.00mm且呈正方形分布，从而得到聚四氟乙烯模板。将陶瓷立方块嵌入到聚四氟乙烯模板的圆孔内，制得二维陶瓷立方块阵列。再将嵌有陶瓷立方块的聚四氟乙烯板圆孔对准进行层叠粘结得到三维陶瓷立方块阵列。

将上述介电复合材料样品与两个平行金属铝电极复合并与高压直流电源连接即制得基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件。

实施例5：

同实施例一，利用固相反应合成法制备Ba_0.6Sr_0.4TiO₃(BST)粉体，将BST粉体与有机溶剂混合配成浆料进行流延，制得厚度为2.30mm的流延片，然后排胶、烧结制得边长为1.80mm的陶瓷立方块，然后将之磨成直径为1.0mm的陶瓷球，室温零场条件下的相对介电常数为2000。

利用数控机床在厚度为2.50mm的聚四氟乙烯板上钻出直径为1.0mm的圆孔阵列，圆孔间距为2.50mm且呈正方形分布，从而得到聚四氟乙烯模板。将陶瓷球嵌入到聚四氟乙烯模板的圆孔内，制得二维陶瓷球阵列。再将嵌有陶瓷球的聚四氟乙烯板圆孔对准进行层叠粘结得到三维陶瓷球阵列。

将上述介电复合材料样品与两个平行银电极复合并与高压直流电源连接即制得基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐负磁导率器件。

Claims (6)

1.一种基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐各向同性负磁导率器件，其特征在于：所述器件由两块平行设置的金属电极板，设置在两电极板间的多块层叠的聚四氟乙烯板，铁电陶瓷颗粒和直流电源组成；每块聚四氟乙烯板上设有圆孔阵列，所述的铁电陶瓷颗粒嵌入每个圆孔内；该器件利用电场对铁电陶瓷颗粒介电常数的调节特性来实现所述各向同性负磁导率的可调谐性。

2.按照权利要求1所述的基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐各向同性负磁导率器件，其特征在于：所述铁电陶瓷颗粒的相对介电常数为600～2000。

3.按照权利要求1所述的基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐各向同性负磁导率器件，其特征在于：所述聚四氟乙烯板上的圆孔阵列呈正方形分布且晶格常数为1.0～3.0mm.

4.按照权利要求3所述的基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐各向同性负磁导率器件，其特征在于：所述的铁电陶瓷颗粒采用边长为0.45～1.8mm的铁电陶瓷立方块或直径为0.5～2.6mm的铁电陶瓷球。

5.一种基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐各向同性负磁导率器件的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)利用陶瓷浆料流延技术，将铁电陶瓷粉体与MgO粉体按质量百分比浓度0～20％混合并与有机溶剂配成浆料进行流延，得到不同厚度的流延片；

2)将流延片割成边长为0.5～2.3mm的立方块并在300～500℃进行排胶，最后在1300～1500℃烧结3～6个小时，得到边长为0.45～1.8mm的铁电陶瓷立方块或者将之磨成直径为0.5～2.6mm的铁电陶瓷球；

3)在1.0～3.0mm厚的聚四氟乙烯板上制备出圆孔阵列，圆孔呈正方形分布且晶格常数为1.0～3.0mm；将陶瓷立方块或陶瓷球嵌入到聚四氟乙烯板的每个圆孔内，制得二维陶瓷颗粒阵列；

4)再将嵌有陶瓷颗粒的聚四氟乙烯板圆孔对准进行层叠粘结，得到三维陶瓷颗粒阵列；最后将三维陶瓷颗粒阵列与两个平行设置的金属电极板粘合在一起；

5)通过调节电源电场的大小来调节铁电陶瓷颗粒的介电常数，从而得到电场可调谐各向同性负磁导率器件。

6.按照权利要求5所述的基于铁电陶瓷颗粒的电场可调谐各向同性负磁导率器件的制备方法，其特征在于：所述的铁电陶瓷粉体采用Ba_xSr_1-xTiO₃粉体，其中x为0.4～0.6。

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