纳米天线和用于其制备和使用的方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]天线大致为转换器设备，其接收或发射电磁辐射。可以由天线接收或发射的辐射频率取决于天线的尺寸、光速以及电子能够在天线的材料介质中行驶的距离(电子迀移率)。因为电磁波在介质中传播比在自由空间中传播更慢，相同数量的波在自由空间中将比在传输介质中跨越更大的距离，由此传输介质被认为具有比其物理长度更长的电长度。通常，天线的电长度以与天线的谐振频率相对应的(天线介质中)波长为单位来表示。
[0002]天线通常与具有大约30千赫(kHz)至大约30千兆赫(GHz)的频率的信号相关联，并且可以与例如长波AM无线电广播、无线LAN、雷达和卫星电视广播相关联。通常，天线的电长度与天线谐振时辐射的自由空间波长近似。例如，偶极天线通常是大约1/4的自由空间波长。类似地，天线的物理长度与天线谐振时辐射的天线介质中的波长近似。考虑到电磁辐射的波长在介质中比在自由空间中短，天线的物理长度通常比其电长度短。
[0003]为了使特定物理长度的天线以所需的频率谐振，天线的电长度能够通过添加合适的电抗元件(例如电容器或者电感器)而被修改。对于低频率(长波长)发射或接收，天线的物理长度变得太长而在经济上或物理上不可行。因此，天线的电长度通过添加合适的电抗元件而被加长，以容许更短的天线以更低频率谐振。另一方面，更高频率(例如光频)的发射或接收可能需要缩短天线的电长度，从而使物理长度更长。
【发明内容】
[0004]本公开不限于所描述的特定的系统、装置和方法，因为这些可变化。描述中所使用的术语仅仅是为了描述特别的版本或实施例，而并不旨在限制范围。
[0005]如在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文另外明确地指示。除非被定义，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。在本公开中没有什么应当被解释为承认由于先有发明在本公开中所描述的实施例没有资格预期这样的公开。如在本文中使用的，术语“包括”意味着“包括但不限于”。
[0006]在一个实施例中，描述了一种制造纳米天线的方法。多个纳米线被布置在多孔膜和单层的纳米球中，以形成纳米天线。纳米球具有与纳米线的直径大致相同的直径，其被放置为与纳米线电学串联。
[0007]在一个实施例中，描述了一种纳米天线，其包括多孔膜；多个纳米线，其被布置在多孔膜中；以及与纳米线电学串联的单层的纳米球。纳米球具有与纳米线大致相同的直径。
[0008]在一个实施例中，描述了一种制造可调谐着色体(colorant)的方法。该方法可以包括以下步骤:提供至少一个纳米天线；以及将可以由纳米球制成的至少一个电抗元件放置为与纳米天线电接触。
[0009]在一个实施例中，可调谐着色体可以包括纳米天线和电阻元件。纳米天线可以包括多孔膜；多个纳米线，其被布置在多孔膜；以及与纳米线电学串联的单层的纳米球。纳米球具有与纳米线大致相同的直径。
【附图说明】
[0010]在以下详细说明书中，参考形成了其一部分的附图。在附图中，相似的附图标记通常表示相似的部件，除非上下文在此明确给出相反指示。详细说明书、附图和权利要求中所述的示例性实施例并非意在限定。可以不脱离在此所述的主题的精神或范围而采用其他实施例并且做出其他改变。将易于理解的是，如在此通常所述以及附图中所示的本公开的特征方面可以以大量不同配置结构而设置、替换、组合和设计，所有这些明确地是预期的并且构成了本公开的一部分。
[0011]图1描述了根据一个实施例的制造纳米天线的说明性方法的流程图。
[0012]图2描述了根据一个实施例的说明性纳米天线的示意图。
[0013]图3描述了根据一个实施例的说明性可调谐着色体的符号框图。
【具体实施方式】
[0014]每个天线具有特性阻抗，其被限定为在天线中任何给定点处电压与电流的比。通常，天线的阻抗是取决于电压(或者电流)的频率的一个复数。复阻抗的实数部分是纯电阻并且与频率无关。复数部分(也称为电抗)是阻抗的频率相关部分，并且可以与频率成正比(电感电抗)或者与频率成反比(电容电抗)。天线的谐振频率被限定为天线的电容阻抗和电感阻抗彼此相等且相反时的频率，由此彼此抵消并使得在该频率处的阻抗具有纯电阻性。在这一频率处的电压和电流彼此同相位。
[0015]天线的复数阻抗可以由以下公式确定:
[0016]Za=Ra+iXa-(Eq.1)
[0017]其中Ra是天线的电阻，并且Xa是天线的电抗，其具有根据以下公式的电容性分量和电感性分量:
[0018]Xa= XC+XL= (-l/oC) + oL-(Eq.1I)
[0019]其中ω = 2 JT f，其是角频率，并且f是频率。
[0020]显然，通过改变电感阻抗和电容阻抗中的一个或两者，天线的谐振频率能够被改变。
[0021]通常，天线的谐振频率取决于天线的几何结构和材料，但可以通过向天线电路添加电抗元件而调制。天线的物理长度通常大概与谐振频率成反比。通过添加电容性元件来提高具有给定几何结构的天线的谐振频率指的是在电学上缩短天线，由此允许在比通过其物理长度确定的频率更高频率处的谐振。通过添加电感性元件来减小具有给定几何结构的天线的谐振频率指的是在电学上加长天线，由此在比通过其物理长度确定的频率更低频率处的谐振。
[0022]考虑到光和接近红外的频率(大约12太赫(THz)至大约800THZ)的波长是大约I微米(ym)至大约400纳米(nm)，以光频和接近红外的频率处的谐振的天线的所需物理长度使得制造这种天线成为一个重大的挑战。因为光频在金属的等离子频率范围内，量子效应适用在这些频率处，并且传统的天线理论必须要被修改。由此，与使用合适的非传统的纳米级电抗元件的电缩短相结合的天线的纳米级制造可以提供潜在的方案，用于产生在光频以及接近红外的频率处谐振的纳米天线。
[0023]图1描述了根据一个实施例的制造纳米天线的说明性方法的流程图。该方法可以包括以下步骤:101将多个纳米线布置在多孔膜中；以及102将单层的纳米球放置为与纳米线电学串联，以形成纳米天线。纳米球可以具有与纳米线大致相同的直径。在一些实施例中，纳米天线可以具有大约12THz至大约800THz的谐振频率。谐振频率的特定示例能够包括 12THz、25THz、50THz、10THz、200THz、300THz、400THz、500THz、600THz、700THz、800THz以及这些值中任意两个之间的范围。
[0024]在一些实施例中，该方法可以进一步包括以下步骤:103将聚合物层放置为与单层的纳米球电接触。在一些实施例中，步骤103中，聚合物层可以通过例如使用化学方法沉积该聚合物层来被放置在单层的纳米球之上。在一些实施例中，步骤103中，聚合物层可以被放置为使得单层的纳米球和聚合物层彼此电学串联。在其他实施例中，步骤103中，聚合物层可以被放置为使得单层的纳米球和聚合物层彼此电学并联。
[0025]在一些实施例中，步骤101中，纳米线可以通过物理气相沉积而被沉积在多孔膜中。在一些实施例中，步骤101中，纳米线可以通过使用光刻法形成在薄膜之中并在之后蚀刻掉该薄膜。在一些实施例中，纳米线可以通过自组装而被形成。
[0026]在一