一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构的制作方法

本发明属于人工电磁超材料领域，具体涉及一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构，该复合结构利用超材料的局域电场增强效应在热电材料内部产生温度梯度，从而产生直流电。

背景技术：

人工电磁超材料是一种利用亚波长微结构当作类似材料组成单元的原子和分子的人造介质，具有独特的电磁特性，如负折射率效应、负磁导率效应、强圆二向色性、电磁隐身、逆多普勒效应等而受到广泛的关注。研究表明，良导体构成的电磁超材料与空间电磁波在某一个恰当的频率段会发生谐振，谐振时超材料中的阻抗最低，产生震荡电流，从而在超材料结构开口处产生增强的电场。例如，由开口谐振环(srrs)构成的超材料结构单元(由良导体金属开口环构成的超材料结构单元)谐振时，在谐振环开口处会产生增强的电场。如何利用电磁超材料局域电场增强这一特性，是目前人们研究的重点。目前，利用电磁超材料局域电场增强特性实现将空间电磁能量转化为直流电，通常采用的方法是在每个超材料结构单元的开口处设置整流器，该方法操作繁琐，成本高，得到的超材料结构复杂，转化效率较低，大大限制了其广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构。该复合结构利用电磁超材料的电场增强效应，通过与空间电磁波的相互作用产生局域热点，进而在热电材料内部产生温度梯度，使热电材料输出直流电，实现电磁能量到可存储直流电的转化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构，包括至少一个呈矩阵排列的超材料结构单元，每个超材料结构单元包括基板、位于基板之上的人工超材料微结构、以及完全覆盖人工超材料微结构的电场增强区域的发热材料层，其特征在于，在每个超材料结构单元的基板的背面还设置有热电材料层，所述热电材料层完全覆盖发热材料层的区域；

当电磁波照射时，所述人工超材料微结构产生电磁谐振形成电场增强区域，覆盖于人工超材料微结构电场增强区域的发热材料层在高电场作用下发热，产生局域热点，进而在热电材料内部产生温度梯度，输出直流电。

进一步地，所述热电材料层完全覆盖发热材料层的区域，且发热材料层的面积＜热电材料层面积≤超材料结构单元的面积。

进一步地，所述热电材料层通过导热硅脂粘附于超材料结构单元的基板背面，导热硅脂仅覆盖人工超材料微结构的开口处(即电场增强区域)，其余区域中热电材料与基板不接触。

进一步地，所述热电材料层通过薄膜沉积工艺形成于超材料结构单元的基板背面，如蒸发法、溅射法等。

进一步地，所述热电材料层的材料为碲化铋、碲化铅、硅锗合金等具有高塞贝克系数的热电材料。

进一步地，所述发热材料层完全覆盖人工超材料微结构的电场增强区域，且人工超材料微结构的电场增强区域的面积≤发热材料层面积＜超材料结构单元的面积。

进一步地，所述发热材料层为金属钛、石墨、镍铬合金等，其电导率为1×10⁴s/m～1×10⁶s/m，厚度为50nm～50μm。

进一步地，所述发热材料层还可以为环氧树脂等高损耗微波介质材料，厚度为50μm～1mm。

进一步地，所述发热材料层通过溅射法、蒸发法、旋涂法等方法形成。

进一步地，所述人工超材料微结构为开口谐振环或elc平面电响应结构。

进一步地，所述人工超材料微结构的材料采用铂、金、钯、银或铜等。

进一步地，所述基板为al2o3陶瓷基片、sio2基片、云母片或聚四氟乙烯等低损耗基片。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构，在人工超材料微结构的电场增强区域覆盖发热材料层，产生局域热点；在超材料结构基板背面设置热电材料层，热电材料层与产生高温热点的电场增强区域通过导热硅胶粘附，形成低热阻通道，其余区域不接触，形成高热阻通道，以在热电材料内部形成温度梯度，进而输出直流电。

2、本发明提供的一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构，结构简单，成本低，易于实现大规模生产。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构的俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构与电磁波相互作用过程中的温度分布示意图；

图4为本发明实施例提供的一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构与7w电磁波相互作用时，热电材料的i-v曲线。

具体实施方式

下面结合具体的实施例及附图，对本发明进行进一步的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构；该复合结构利用电磁超材料局域电场增强效应，产生局域热点，进而在热电材料内部形成明显的温度梯度，使热电材料输出直流电。首先，选择一种超材料结构的承载基板，基板具有低热导率和低电磁损耗的特点，可以为al2o3陶瓷基片、sio2基片、云母片或聚四氟乙烯等；按照设计要求，基板被裁剪为合适的尺寸：长度1mm～100mm、宽度为1mm～100mm、厚度为0.1mm～1mm。然后，采用镀膜工艺在基板表面镀厚度为100nm～100μm的良导体金属薄膜，良导体金属可以为铂、金、钯、银、铜；再通过刻蚀工艺将金属薄膜图形化，使之形成能对空间电磁波产生谐振响应的人工超材料微结构，所述人工超材料微结构为开口谐振环或elc平面电响应结构；可通过设计不同的超材料微结构尺寸，调整其对电磁波的响应频率，使之适用于不同的领域，尺寸设计范围为1mm～100mm，响应频率范围为100mhz～20ghz。再通过镀膜和刻蚀工艺，在超材料微结构的电场增强区域形成发热材料层，发热材料层的尺寸：长为1μm～1mm、宽为1μm～1mm，发热材料层可以为厚度50nm～50μm、电导率为1×10⁴s/m～1×10⁶s/m的金属钛、石墨、镍铬合金等，也可以为厚度为50μm～1mm的环氧树脂等高损耗微波介质材料。最后，在每个超材料结构单元的基板的背面通过导热硅脂粘附热电材料层，导热硅脂仅覆盖电场增强区域，以保证局域电场增强区域与热电材料形成低热阻通道，其余区域中热电材料与基板不接触，形成高热阻通道，以在热电材料内部形成温度梯度，进而输出直流电。

本发明提供的一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构中，局域热点的形成过程为：当电磁波照射超材料结构时，在恰当的频率点，超材料微结构会产生电磁谐振，在超材料结构开口区域产生增强的震荡电场，覆盖于超材料微结构电场增强区域的发热材料层受到震荡电场作用产生震荡电流，进而发热，形成温度高于其他区域的热点。直流电的形成过程为：热电材料层与产生高温热点的电场增强区域通过导热硅胶粘附，形成低热阻通道，热量可快速低损耗地传至热电材料，使其温度迅速升高；而其余区域中热电材料与基板不接触，形成高热阻通道，热量传导慢且损耗高，从而在热电材料内部形成温度梯度，此时，在低温区和高温区之间连接负载即会有直流电输出。

实施例

如图1所示，为本发明实施例提供的一种可产生直流电的超材料/热电材料复合结构单元的结构示意图；所述复合结构包括基板、开口谐振环超材料结构、发热材料和热电材料。其中，基板为al2o3陶瓷基片，尺寸：长度24mm、宽度为24mm、厚度为0.27mm。人工超材料微结构是由基板表面的图形化铜薄膜构成，厚度为18μm，具体结构如图2所示，所述人工超材料微结构为一个正方形的开口谐振环，正方形边长w＝13.8mm，环的宽度t＝1mm，开口的宽度d＝1mm，该结构与恰当频率的电磁波相互作用时会在开口处产生增强的电场。发热材料层是通过将液体状环氧树脂涂覆于谐振环开口处，经干燥形成的，如图2所示，发热材料层为一个半径1mm的球形，其完全覆盖了开口环的电场增强区域。热电材料层采用具有优良热电性能的bi2te3半导体，尺寸为长14mm、宽2mm，厚度1mm，通过导热硅胶粘附于超材料结构单元的基板的背面，如图1所示。

将实施例得到的超材料/热电材料复合结构放置于电磁环境中，保持特定方位，该实施例中，电磁波波矢沿超材料平面方向，电磁波磁场方向垂直于超材料表面，电磁波频率为2.31ghz，功率为7w。如图3所示，为实施例复合结构与电磁波相互作用过程中的温度分布示意图；由图3可知，复合结构在发热材料区域附近形成了1mm×1mm的热点，通过热传导在热电材料两端形成明显的温度差，温差达到149.8℃。如图4所示，为实施例复合结构与7w电磁波相互作用时热电材料的i-v曲线；由图4可知，在热电材料两端温度梯度的作用下，热电材料两端会产生28.5mv的直流电压。