专利名称：一种层状插层改性复合材料及其实现负折射的方法
技术领域：
本发明属于光通讯、光电子技术领域，特别涉及一种层状插层改性复合材料及其实现负折射的方法。
背景技术：
电磁波的负折射指当电磁波由一种介质入射到另一种介质中时，在界面处折射光和入射光分别位于法线同侧的特殊现象，此现象最早是由前苏联物理学家Veselago在理论上提出的。最早提出时要求材料的介电常数和磁导率同时为负，此时，因为在满足这些条件的材料中传播的电磁波的电矢量E、磁矢量H与波失K满足“左手定则”而称这种材料为左手材料。左手材料的实现多是基于人工金属结构单元与电磁波之间的电谐振和磁谐振来同时实现负介电常数和磁导率，从而得到负的折射率的。根据有效介质理论的要求，人工金属结构单元的尺寸必须远小于操作频率下电磁波的波长，因此，如果要提高操作频率就必须要降低人工结构单元的尺寸，从而产生了制备的局限性。同时，电谐振和磁谐振的同时发生产生了很强的电磁损耗。由于人工结构的上述的局限性，人们迫切地希望能够通过其他的超常电磁介质或者自然材料来实现电磁波的负折射特性。Lindell等人提出了一种利用强各向异性介质(Indefinite medium)来实现非左手特性的电磁波负折射。这种强各向异性介质的介电常数ε和磁导率μ的四个电磁分量中，只需有一个分量为负值，其它分量均大于零。这时，介质中电磁波的等频线是双曲线的形式，得到的折射光的相速度和群速度不在一条直线上，可以实现所谓的电磁波“光线负折射”，而且这一理论也已经被实验所验证。已经有人报道了金属/介质多层结构，金属纳米线阵列等等利用结构的强各向异性实现了负折射现象。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种层状插层改性复合材料及其实现负折射的方法。—种层状插层改性复合材料，以插层客体材料作为导电层，通过在插层主体材料中插入插层客体材料，进行插层改性，获得导电层和介质层间隔排列的具有多层结构的插层改性复合材料；所获得的插层复合材料具有各向异性，其介电张量矩阵为非正定矩阵，即介电分量的符号不一致，有正有负，其基本单元为分子结构层，能在可见光频段使用；电磁波在此种插层复合材料中传播时，其等频线为双曲线；所述插层主体材料具有各向异性，为层状单晶材料；所述插层客体材料要充当导电层，为金属或导电有机物材料。所述插层主体材料为云母或蛭石层状硅酸盐材料，或MoS2、NbS2, VS2, SnS2, WS2,WSe2, WTe2层状过渡金属双硫属化物，或Mo03、V2O5的单晶材料。所述插层客体材料为金或银金属纳米颗粒，或具有大π键的苯、萘、蒽有机物分子材料。
一种基于层状材料插层改性实现负折射的方法，以插层客体材料作为导电层，通过在插层主体材料中插入插层客体材料，进行插层改性，获得导电层和介质层间隔排列的具有多层结构的插层复合材料；所获得的插层复合材料具有各向异性，其介电张量矩阵为非正定矩阵，即介电分量的符号不一致，有正有负，其基本单元为分子结构层，能在可见光频段使用；电磁波在此种插层复合材料中传播时，其等频线为双曲线；所述插层主体材料具有各向异性，为层状单晶材料；所述插层客体材料要充当导电层，为金属或导电有机物材料；使用时该插层复合材料的光轴平行于入射面和样品表面，入射光的电矢量的偏振方向在入射面内，能够实现能量全角负折射。所述插层主体材料为云母或蛭石层状硅酸盐材料，或MoS2、NbS2, VS2, SnS2, WS2,WSe2, WTe2层状过渡金属双硫属化物，或Mo03、V2O5的单晶材料。所述插层客体材料为金或银金属纳米颗粒，或具有大π键的苯、萘、蒽有机物分子材料。 所述插层客体材料插入插层主体材料的方法为直接反应法、离子交换法、分子嵌入法、剥离重组法、纳米粒子直接插层法或纳米粒子原位生成法。本发明的有益效果为本发明的插层主体材料为层状晶体材料，可以利用其各向异性，同时，由于插层改性，本发明所使用的插层主体材料的各向异性得到大幅度增强，从而具有强各向异性，利用此晶体的强各向异性实现负折射。而且，本发明制备的材料的周期性结构单元尺度小，从而本发明所制备的材料的工作频段可以达到光频。本发明从电磁波基本理论出发，提出了一种全新的实现电磁波负折射的方法，可以使工作频率提高到光频，同时简化了制备工艺，降低了成本。
图I为金属纳米颗粒插入层状晶体材料层间后的结构示意图，其中线条为层状单晶材料结构层，空心圆为金属纳米颗粒；图2为具有大π键的有机材料插入层状晶体材料层间后的结构示意图，其中长线条为层状单晶材料结构层，短线条为有机材料分子；图3为具有大π键的有机材料插入层状材料后的俯视结构不意图(以蔡为例)，其中矩形为层状晶体材料的结构层，连在一起的六边形为萘分子；图4为层状复合材料中的电磁波的等频线，其中Vpi与Vgi分别为入射光的波失方向和坡印廷矢量方向，Vps与Vgs分别为折射光的波失方向和坡印廷矢量方向。
具体实施例方式本发明提供了一种层状插层改性复合材料及其实现负折射的方法，下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。实施例I选择层状单晶材料为插层主体材料，金、银等金属纳米颗粒为插层客体材料。通过插层改性得到的层状复合材料的结构如图I所示。金属纳米颗粒可以通过纳米粒子直接插层法、纳米粒子原位生成插层法和剥离重组法等方法插入层状单晶材料层间，使插层主体材料的各向异性显著增强。导致平行于结构层方向的介电常数为负，垂直于结构层方向的介电常数为正。实施例2选择层状单晶材料为插层主体材料，具有大键的有机材料作为插层客体材料，例如带有苯环的苯、萘、蒽等。通过直接反应法、离子交换法、分子嵌入法和剥离重组法等方法制备层状复合材料。制备的层状复合材料的结构如图2所示，由于大31键之间的耦合，插层复合材料的各向异性显著增强。图3给出了此复合材料的俯视图。导致平行于结构层方向的介电常数为负，垂直于结构层方向的介电常数为正。成功制备的层状复合材料具有非正定的介电常数张量矩阵，当具有负介电常数的组分的方向平行于z轴时，层状复合材料中的电磁波的等频线如图 4所示。黑色圆为空气的等频线，黑色双曲线对应于层状复合材料的等频线，入射波失与折射波失在z方向的分量相等，此时折射光的波失方向Vps与入射光的波失方向Vpi分别位于法线的两侧，即波失的折射角是正的；而对于折射光的坡印廷矢量Vgs，根据Maxwell方程组的推导结果，折射光的坡印廷矢量是等频线的外法线方向，与入射光的坡印廷矢量Vgi位于法线的同侧，即坡印廷矢量的折射角是负的。因此，可以确定当层状复合材料的光轴平行于入射面和样品表面时，可以使电矢量在入射面偏振的入射光发生能量全角负折射。
权利要求
1.一种层状插层改性复合材料，其特征在于以插层客体材料作为导电层，通过在插层主体材料中插入插层客体材料，进行插层改性，获得导电层和介质层间隔排列的具有多层结构的插层改性复合材料；所获得的插层复合材料具有各向异性，其介电张量矩阵为非正定矩阵，即介电分量的符号不一致，有正有负，其基本单元为分子结构层，能在可见光频段使用；电磁波在此种插层复合材料中传播时，其等频线为双曲线；所述插层主体材料具有各向异性，为层状单晶材料；所述插层客体材料要充当导电层，为金属或导电有机物材料。
2.根据权利要求I所述的一种层状插层改性复合材料，其特征在于所述插层主体材料为云母或蛭石层状硅酸盐材料，或MoS2、NbS2, VS2, SnS2, WS2、WSe2、WTe2层状过渡金属双硫属化物，或Mo03、V2O5的单晶材料。
3.根据权利要求I所述的一种层状插层改性复合材料，其特征在于所述插层客体材料为金或银金属纳米颗粒，或具有大η键的苯、萘、蒽有机物分子材料。
4.一种基于层状材料插层改性实现负折射的方法，其特征在于以插层客体材料作为导电层，通过在插层主体材料中插入插层客体材料，进行插层改性，获得导电层和介质层间隔排列的具有多层结构的插层复合材料；所获得的插层复合材料具有各向异性，其介电张量矩阵为非正定矩阵，即介电分量的符号不一致，有正有负，其基本单元为分子结构层，能在可见光频段使用；电磁波在此种插层复合材料中传播时，其等频线为双曲线；所述插层主体材料具有各向异性，为层状单晶材料；所述插层客体材料要充当导电层，为金属或导电有机物材料；使用时该插层复合材料的光轴平行于入射面和样品表面，入射光的电矢量的偏振方向在入射面内，能够实现能量全角负折射。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述插层主体材料为云母或蛭石层状硅酸盐材料，或MoS2、NbS2、VS2、SnS2、WS2、WSe2、WTe2层状过渡金属双硫属化物，或Mo03、V2O5的单晶材料。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述插层客体材料为金或银金属纳米颗粒，或具有大η键的苯、萘、蒽有机物分子材料。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述插层客体材料插入插层主体材料的方法为直接反应法、离子交换法、分子嵌入法、剥离重组法、纳米粒子直接插层法或纳米粒子原位生成法。
全文摘要
本发明属于光通讯、光电子技术领域，特别涉及一种层状插层改性复合材料及其实现负折射的方法。本发明通过直接反应法、离子交换法、分子嵌入法、剥离重组法、纳米粒子直接插层法、纳米粒子原位生成法等插层方法向层状材料单晶材料中插入金属纳米颗粒等，从而增强层状单晶材料的各向异性，使层状复合材料的介电矩阵为非正定矩阵而实现负折射。本发明从电磁波基本理论出发，提出了一种全新的实现电磁波负折射的方法，可以使工作频率提高到光频，同时简化了制备工艺，降低了成本，具有重要的学术意义和应用价值。
文档编号G02B1/00GK102944907SQ20121044879
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月10日 优先权日2012年11月10日
发明者周济, 吴红亚, 孙竞博 申请人:清华大学