專利名稱：一種層狀插層改性復(fù)合材料及其實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通訊、光電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種層狀插層改性復(fù)合材料及其實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的方法。
背景技術(shù)：
電磁波的負(fù)折射指當(dāng)電磁波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)中時(shí)，在界面處折射光和入射光分別位于法線同側(cè)的特殊現(xiàn)象，此現(xiàn)象最早是由前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago在理論上提出的。最早提出時(shí)要求材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)，此時(shí)，因?yàn)樵跐M足這些條件的材料中傳播的電磁波的電矢量E、磁矢量H與波失K滿足“左手定則”而稱這種材料為左手材料。左手材料的實(shí)現(xiàn)多是基于人工金屬結(jié)構(gòu)單元與電磁波之間的電諧振和磁諧振來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，從而得到負(fù)的折射率的。根據(jù)有效介質(zhì)理論的要求，人工金屬結(jié)構(gòu)單元的尺寸必須遠(yuǎn)小于操作頻率下電磁波的波長(zhǎng)，因此，如果要提高操作頻率就必須要降低人工結(jié)構(gòu)單元的尺寸，從而產(chǎn)生了制備的局限性。同時(shí)，電諧振和磁諧振的同時(shí)發(fā)生產(chǎn)生了很強(qiáng)的電磁損耗。由于人工結(jié)構(gòu)的上述的局限性，人們迫切地希望能夠通過(guò)其他的超常電磁介質(zhì)或者自然材料來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁波的負(fù)折射特性。Lindell等人提出了一種利用強(qiáng)各向異性介質(zhì)(Indefinite medium)來(lái)實(shí)現(xiàn)非左手特性的電磁波負(fù)折射。這種強(qiáng)各向異性介質(zhì)的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ的四個(gè)電磁分量中，只需有一個(gè)分量為負(fù)值，其它分量均大于零。這時(shí)，介質(zhì)中電磁波的等頻線是雙曲線的形式，得到的折射光的相速度和群速度不在一條直線上，可以實(shí)現(xiàn)所謂的電磁波“光線負(fù)折射”，而且這一理論也已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。已經(jīng)有人報(bào)道了金屬/介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)，金屬納米線陣列等等利用結(jié)構(gòu)的強(qiáng)各向異性實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種層狀插層改性復(fù)合材料及其實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的方法?！N層狀插層改性復(fù)合材料，以插層客體材料作為導(dǎo)電層，通過(guò)在插層主體材料中插入插層客體材料，進(jìn)行插層改性，獲得導(dǎo)電層和介質(zhì)層間隔排列的具有多層結(jié)構(gòu)的插層改性復(fù)合材料；所獲得的插層復(fù)合材料具有各向異性，其介電張量矩陣為非正定矩陣，即介電分量的符號(hào)不一致，有正有負(fù)，其基本單元為分子結(jié)構(gòu)層，能在可見(jiàn)光頻段使用；電磁波在此種插層復(fù)合材料中傳播時(shí)，其等頻線為雙曲線；所述插層主體材料具有各向異性，為層狀單晶材料；所述插層客體材料要充當(dāng)導(dǎo)電層，為金屬或?qū)щ娪袡C(jī)物材料。所述插層主體材料為云母或蛭石層狀硅酸鹽材料，或MoS2、NbS2, VS2, SnS2, WS2,WSe2, WTe2層狀過(guò)渡金屬雙硫?qū)倩?，或Mo03、V2O5的單晶材料。所述插層客體材料為金或銀金屬納米顆粒，或具有大π鍵的苯、萘、蒽有機(jī)物分子材料。
一種基于層狀材料插層改性實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的方法，以插層客體材料作為導(dǎo)電層，通過(guò)在插層主體材料中插入插層客體材料，進(jìn)行插層改性，獲得導(dǎo)電層和介質(zhì)層間隔排列的具有多層結(jié)構(gòu)的插層復(fù)合材料；所獲得的插層復(fù)合材料具有各向異性，其介電張量矩陣為非正定矩陣，即介電分量的符號(hào)不一致，有正有負(fù)，其基本單元為分子結(jié)構(gòu)層，能在可見(jiàn)光頻段使用；電磁波在此種插層復(fù)合材料中傳播時(shí)，其等頻線為雙曲線；所述插層主體材料具有各向異性，為層狀單晶材料；所述插層客體材料要充當(dāng)導(dǎo)電層，為金屬或?qū)щ娪袡C(jī)物材料；使用時(shí)該插層復(fù)合材料的光軸平行于入射面和樣品表面，入射光的電矢量的偏振方向在入射面內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)能量全角負(fù)折射。所述插層主體材料為云母或蛭石層狀硅酸鹽材料，或MoS2、NbS2, VS2, SnS2, WS2,WSe2, WTe2層狀過(guò)渡金屬雙硫?qū)倩?，或Mo03、V2O5的單晶材料。所述插層客體材料為金或銀金屬納米顆粒，或具有大π鍵的苯、萘、蒽有機(jī)物分子材料。 所述插層客體材料插入插層主體材料的方法為直接反應(yīng)法、離子交換法、分子嵌入法、剝離重組法、納米粒子直接插層法或納米粒子原位生成法。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明的插層主體材料為層狀晶體材料，可以利用其各向異性，同時(shí)，由于插層改性，本發(fā)明所使用的插層主體材料的各向異性得到大幅度增強(qiáng)，從而具有強(qiáng)各向異性，利用此晶體的強(qiáng)各向異性實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。而且，本發(fā)明制備的材料的周期性結(jié)構(gòu)單元尺度小，從而本發(fā)明所制備的材料的工作頻段可以達(dá)到光頻。本發(fā)明從電磁波基本理論出發(fā)，提出了一種全新的實(shí)現(xiàn)電磁波負(fù)折射的方法，可以使工作頻率提高到光頻，同時(shí)簡(jiǎn)化了制備工藝，降低了成本。


圖I為金屬納米顆粒插入層狀晶體材料層間后的結(jié)構(gòu)示意圖，其中線條為層狀單晶材料結(jié)構(gòu)層，空心圓為金屬納米顆粒；圖2為具有大π鍵的有機(jī)材料插入層狀晶體材料層間后的結(jié)構(gòu)示意圖，其中長(zhǎng)線條為層狀單晶材料結(jié)構(gòu)層，短線條為有機(jī)材料分子；圖3為具有大π鍵的有機(jī)材料插入層狀材料后的俯視結(jié)構(gòu)不意圖(以蔡為例)，其中矩形為層狀晶體材料的結(jié)構(gòu)層，連在一起的六邊形為萘分子；圖4為層狀復(fù)合材料中的電磁波的等頻線，其中Vpi與Vgi分別為入射光的波失方向和坡印廷矢量方向，Vps與Vgs分別為折射光的波失方向和坡印廷矢量方向。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種層狀插層改性復(fù)合材料及其實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的方法，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例I選擇層狀單晶材料為插層主體材料，金、銀等金屬納米顆粒為插層客體材料。通過(guò)插層改性得到的層狀復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)如圖I所示。金屬納米顆粒可以通過(guò)納米粒子直接插層法、納米粒子原位生成插層法和剝離重組法等方法插入層狀單晶材料層間，使插層主體材料的各向異性顯著增強(qiáng)。導(dǎo)致平行于結(jié)構(gòu)層方向的介電常數(shù)為負(fù)，垂直于結(jié)構(gòu)層方向的介電常數(shù)為正。實(shí)施例2選擇層狀單晶材料為插層主體材料，具有大鍵的有機(jī)材料作為插層客體材料，例如帶有苯環(huán)的苯、萘、蒽等。通過(guò)直接反應(yīng)法、離子交換法、分子嵌入法和剝離重組法等方法制備層狀復(fù)合材料。制備的層狀復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于大31鍵之間的耦合，插層復(fù)合材料的各向異性顯著增強(qiáng)。圖3給出了此復(fù)合材料的俯視圖。導(dǎo)致平行于結(jié)構(gòu)層方向的介電常數(shù)為負(fù)，垂直于結(jié)構(gòu)層方向的介電常數(shù)為正。成功制備的層狀復(fù)合材料具有非正定的介電常數(shù)張量矩陣，當(dāng)具有負(fù)介電常數(shù)的組分的方向平行于z軸時(shí)，層狀復(fù)合材料中的電磁波的等頻線如圖 4所示。黑色圓為空氣的等頻線，黑色雙曲線對(duì)應(yīng)于層狀復(fù)合材料的等頻線，入射波失與折射波失在z方向的分量相等，此時(shí)折射光的波失方向Vps與入射光的波失方向Vpi分別位于法線的兩側(cè)，即波失的折射角是正的；而對(duì)于折射光的坡印廷矢量Vgs，根據(jù)Maxwell方程組的推導(dǎo)結(jié)果，折射光的坡印廷矢量是等頻線的外法線方向，與入射光的坡印廷矢量Vgi位于法線的同側(cè)，即坡印廷矢量的折射角是負(fù)的。因此，可以確定當(dāng)層狀復(fù)合材料的光軸平行于入射面和樣品表面時(shí)，可以使電矢量在入射面偏振的入射光發(fā)生能量全角負(fù)折射。
權(quán)利要求
1.一種層狀插層改性復(fù)合材料，其特征在于以插層客體材料作為導(dǎo)電層，通過(guò)在插層主體材料中插入插層客體材料，進(jìn)行插層改性，獲得導(dǎo)電層和介質(zhì)層間隔排列的具有多層結(jié)構(gòu)的插層改性復(fù)合材料；所獲得的插層復(fù)合材料具有各向異性，其介電張量矩陣為非正定矩陣，即介電分量的符號(hào)不一致，有正有負(fù)，其基本單元為分子結(jié)構(gòu)層，能在可見(jiàn)光頻段使用；電磁波在此種插層復(fù)合材料中傳播時(shí)，其等頻線為雙曲線；所述插層主體材料具有各向異性，為層狀單晶材料；所述插層客體材料要充當(dāng)導(dǎo)電層，為金屬或?qū)щ娪袡C(jī)物材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種層狀插層改性復(fù)合材料，其特征在于所述插層主體材料為云母或蛭石層狀硅酸鹽材料，或MoS2、NbS2, VS2, SnS2, WS2、WSe2、WTe2層狀過(guò)渡金屬雙硫?qū)倩?，或Mo03、V2O5的單晶材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種層狀插層改性復(fù)合材料，其特征在于所述插層客體材料為金或銀金屬納米顆粒，或具有大η鍵的苯、萘、蒽有機(jī)物分子材料。
4.一種基于層狀材料插層改性實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的方法，其特征在于以插層客體材料作為導(dǎo)電層，通過(guò)在插層主體材料中插入插層客體材料，進(jìn)行插層改性，獲得導(dǎo)電層和介質(zhì)層間隔排列的具有多層結(jié)構(gòu)的插層復(fù)合材料；所獲得的插層復(fù)合材料具有各向異性，其介電張量矩陣為非正定矩陣，即介電分量的符號(hào)不一致，有正有負(fù)，其基本單元為分子結(jié)構(gòu)層，能在可見(jiàn)光頻段使用；電磁波在此種插層復(fù)合材料中傳播時(shí)，其等頻線為雙曲線；所述插層主體材料具有各向異性，為層狀單晶材料；所述插層客體材料要充當(dāng)導(dǎo)電層，為金屬或?qū)щ娪袡C(jī)物材料；使用時(shí)該插層復(fù)合材料的光軸平行于入射面和樣品表面，入射光的電矢量的偏振方向在入射面內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)能量全角負(fù)折射。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述插層主體材料為云母或蛭石層狀硅酸鹽材料，或MoS2、NbS2、VS2、SnS2、WS2、WSe2、WTe2層狀過(guò)渡金屬雙硫?qū)倩?，或Mo03、V2O5的單晶材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述插層客體材料為金或銀金屬納米顆粒，或具有大η鍵的苯、萘、蒽有機(jī)物分子材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述插層客體材料插入插層主體材料的方法為直接反應(yīng)法、離子交換法、分子嵌入法、剝離重組法、納米粒子直接插層法或納米粒子原位生成法。
全文摘要
本發(fā)明屬于光通訊、光電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種層狀插層改性復(fù)合材料及其實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的方法。本發(fā)明通過(guò)直接反應(yīng)法、離子交換法、分子嵌入法、剝離重組法、納米粒子直接插層法、納米粒子原位生成法等插層方法向?qū)訝畈牧蠁尉Р牧现胁迦虢饘偌{米顆粒等，從而增強(qiáng)層狀單晶材料的各向異性，使層狀復(fù)合材料的介電矩陣為非正定矩陣而實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。本發(fā)明從電磁波基本理論出發(fā)，提出了一種全新的實(shí)現(xiàn)電磁波負(fù)折射的方法，可以使工作頻率提高到光頻，同時(shí)簡(jiǎn)化了制備工藝，降低了成本，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G02B1/00GK102944907SQ20121044879
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月10日
發(fā)明者周濟(jì), 吳紅亞, 孫競(jìng)博 申請(qǐng)人:清華大學(xué)