一种金属可逆电沉积微波动态反射可调器件及制备方法

本发明涉及一种调控微波的技术方法，尤其涉及一种利用金属可逆电沉积技术实现微波反射动态调控的微波反射可调器件及制备方法。

背景技术：

1、目前常见的微波反射调控手段存在以下缺陷，例如：

2、基于二极管等集总元件实现微波反射调控技术所存在的缺陷和不足：一般通过在超材料结构中加载集总元件来实现对微波的调控，导致需要大量电子元器件，存在结构复杂、馈线复杂、大面积制备成本高、极化敏感、驱动电压高(功率大、能耗高)等问题。

3、基于石墨烯、液晶等材料实现微波反射调控技术所存在的缺陷和不足：可调控带宽窄、大面积难度较大。

4、基于折纸工艺实现微波反射调控技术所存在的缺陷和不足：一般采用机械驱动或手动控制方式，不便于实际应用。

5、基于vo2等相变材料实现微波反射调控技术所存在的缺陷和不足：从室温到金属-绝缘体转变温度的转变过程较缓慢，因此调控速度慢，较难实现渐变和实时调控。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，利用该金属可逆电沉积器件实现对入射微波反射率的调控，通过施加电压操控金属在工作电极上可逆的电沉积与溶解，实现了对入射微波反射的动态调控，提供了一种新的实现微波反射动态调控的方法，相较于其他的常见的微波反射调控手段，它具有结构简单、易于大面积化、调控带宽宽且调控幅度大的优势。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种金属可逆电沉积微波动态反射可调器件，包括从上至下依次设置的顶电极基底层、顶电极层、电解质层、底电极层和底电极基底层；所述顶电极层为工作电极，通过施加电压操控金属在顶电极上进行可逆的电沉积与溶解实现对入射微波反射的动态调控。

4、为了实现器件微波频段反射调控，本发明将金属可逆电沉积与salisbury屏相结合，通过对金属可逆电沉积器件结构进行设计，使器件在低反射状态能够与自由空间阻抗匹配，并借助工作电极的欧姆损耗和电解质的介质损耗实现了对微波的高吸收，使器件实现微波低反射状态。通过施加负电压，使电解质中的金属离子沉积在工作电极上，形成一层金属膜，金属膜的出现使器件与自由空间阻抗不再匹配，器件切换为微波高反射状态。通过操控金属的沉积与溶解实现了对微波反射的动态调控。其中，在电沉积过程中形成的工作电极-电沉积金属膜，这个膜层方块电阻的改变是实现微波反射可调的关键。

5、优选的，所述顶电极层包括设置在顶电极基底层表面的金属网格以及覆盖在所述金属网格上的导电层；所述顶电极层的制备方法为：先在顶电极基底层上预先沉积或打印一层金属网格，再沉积一层导电层；所述金属网格为ni、ir、pt、os、re、w、ta、hf、rh、ru、mo、nb、au、pd中一种或多种的组合。其中金属网格用于提供远程导电性，导电层提供局部导电性，从而实现均匀的性能变化并最大限度地减少大面积器件的欧姆损耗。

6、优选的，所述金属网格的线间距为l、线宽为w、线厚度为t，对应取值范围为10mm≤l≤20mm、0.1mm≤w≤0.3mm、0.05mm≤t≤0.4mm。

7、优选的，所述导电层包括金属ir、pt、os、re、w、ta、hf、rh、ru、mo、nb、au和pd的至少中一种，或氧化物半导体ito、azo和fto中的至少一种；所述导电层的方阻为x，200ωsq-1≤x≤350ωsq-1。

8、优选的，所述顶电极基底层包括钠钙玻璃、石英玻璃、baf2、caf2、pp和pe中的至少一种；所述顶电极基底层的厚度为d1，1.90mm≤d1≤2.10mm；顶电极基底层的介电常数为ε，5≤ε≤8。

9、优选的，所述底电极层包括金属ir、pt、os、re、w、ta、hf、rh、ru、mo、nb、au、pd、ag、cu、al和fe的至少一种，或氧化物半导体ito、azo和fto中的至少一种；底电极层的方阻为y，对应取值范围为y≤10ωsq-1，所述底电极基底层为钠钙玻璃、石英玻璃、baf2、caf2、pp、pe和pet中的一种。

10、优选的，所述电解质层含有至少一种金属盐，所述金属盐能够提供实现可逆电沉积和溶解的金属离子；所述电解质层的厚度为d2，对应取值范围为1.50mm≤d2≤1.80mm。

11、优选的，所述电解质层中电解质包含助剂，所述助剂为氯化物、碘化物、溴化物、吡啶、咪唑中的一种或多种的组合；所述电解质层中电解质包含溶剂，所述溶剂为水、有机溶剂、离子液体中的一种或多种的组合。

12、基于总的发明构思，本发明还提出一种上述所述金属可逆电沉积微波动态反射可调器件的制备方法，包括以下步骤：

13、s1：选择顶电极基底层和底电极基底层，分别进行清洗、干燥；

14、s2：在顶电极基底层的一侧预先沉积或打印一层金属网格，再沉积一层导电层，得到顶电极层；

15、s3：在底电极基底层的一侧沉积导电层，得到底电极层；

16、s4：配制电解质，将电解质夹在步骤s2得到的顶电极层和步骤s3得到的底电极层之间，得到电解质层；

17、s5：封装，引出导线端子，得到金属可逆电沉积微波动态反射可调器件。

18、优选的，所述步骤s1中，清洗、干燥的方法为：依次用蒸馏水、乙醇、丙酮对基片进行清洗，并在氮气流下干燥；所述步骤s2中预先沉积或打印的方法为借助掩模进行物理气相沉积法或化学气相沉积法或3d打印工艺，所述再沉积的方法为物理气相沉积法或化学气相沉积法；所述步骤s3中沉积方法为物理气相沉积法或化学气相沉积法；所述步骤s4中，将含金属离子的离子盐、助剂和溶剂混合配制电解质，此时电解质呈凝胶状。

19、基于总的发明构思，本发明还提出一种上述所述金属可逆电沉积微波动态反射可调器件的调控方法，包括以下步骤：

20、s1：施加沉积电压，金属可逆电沉积微波动态反射可调器件可切换到高反射状态；

21、s2：继续施加溶解电压，金属可逆电沉积微波动态反射可调器件可重新切换回低反射状态。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

23、1.结构简单，没有复杂馈线，容易大面积制备，且成本较低。

24、2.驱动电压低，功率小，能耗低的明显优势。

25、3.极化无关、可以实现宽带大幅度的动态调控。

技术特征：

1.一种金属可逆电沉积微波动态反射可调器件，其特征在于，包括从上至下依次设置的顶电极基底层、顶电极层、电解质层、底电极层和底电极基底层；所述顶电极层为工作电极，通过施加电压操控金属在顶电极上进行可逆的电沉积与溶解实现对入射微波反射的动态调控。

2.根据权利要求1所述的金属可逆电沉积微波动态反射可调器件，其特征在于，所述顶电极层包括设置在顶电极基底层表面的金属网格以及覆盖在所述金属网格上的导电层；所述顶电极层的制备方法为：先在顶电极基底层上预先沉积或打印一层金属网格，再沉积一层导电层；所述金属网格为ni、ir、pt、os、re、w、ta、hf、rh、ru、mo、nb、au、pd中一种或多种的组合。

3.根据权利要求2所述的金属可逆电沉积微波动态反射可调器件，其特征在于，所述金属网格的线间距为l、线宽为w、线厚度为t，其中，10mm≤l≤20mm、0.1mm≤w≤0.3mm、0.05mm≤t≤0.4mm。

4.根据权利要求2所述的金属可逆电沉积微波动态反射可调器件，其特征在于，所述导电层包括金属ir、pt、os、re、w、ta、hf、rh、ru、mo、nb、au和pd的至少中一种，或氧化物半导体ito、azo和fto中的至少一种；所述导电层的方阻为x，200ωsq-1≤x≤350ωsq-1。

5.根据权利要求1所述的金属可逆电沉积微波动态反射可调器件，其特征在于，所述顶电极基底层包括钠钙玻璃、石英玻璃、baf2、caf2、pp和pe中的至少一种；所述顶电极基底层厚度为d1，1.90mm≤d1≤2.10mm；顶电极基底层的介电常数为ε，5≤ε≤8。

6.根据权利要求1所述的金属可逆电沉积微波动态反射可调器件，其特征在于，所述底电极层包括金属ir、pt、os、re、w、ta、hf、rh、ru、mo、nb、au、pd、ag、cu、al和fe的至少一种，或氧化物半导体ito、azo和fto中的至少一种；底电极层的方阻为y，y≤10ωsq-1；所述底电极基底层为钠钙玻璃、石英玻璃、baf2、caf2、pp、pe和pet中的一种。

7.根据权利要求1所述的金属可逆电沉积微波动态反射可调器件，其特征在于，所述电解质层中电解质含有至少一种金属盐，电解质层厚度为d2，对应取值范围为1.50mm≤d2≤1.80mm。

8.如权利要求7所述的金属可逆电沉积微波动态反射可调器件，其特征在于，所述电解质层中电解质包含助剂，所述助剂为氯化物、碘化物、溴化物、吡啶、咪唑中的一种或多种的组合。

9.一种如权利要求1～8任一项所述金属可逆电沉积微波动态反射可调器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，清洗、干燥的方法为：依次用蒸馏水、乙醇、丙酮对基片进行清洗，并在氮气流下干燥；所述步骤s2中预先沉积或打印的方法为借助掩模进行物理气相沉积法或化学气相沉积法或3d打印工艺，所述再沉积的方法为物理气相沉积法或化学气相沉积法；所述步骤s3中沉积方法为物理气相沉积法或化学气相沉积法；所述步骤s4中，将含金属离子的离子盐、助剂和溶剂混合配制电解质。

11.一种权利要求1-8任一项所述的金属可逆电沉积微波动态反射可调器件的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：器件初始状态处于微波高吸收状态，即低反射状态，通过施加沉积电压，器件可切换为高反射状态；继续施加溶解电压，器件可重新切换回低反射状态。

技术总结本发明公开了一种金属可逆电沉积微波动态反射可调器件，包括从上至下依次设置的顶电极基底层、顶电极层、电解质层、底电极层和底电极基底层；所述顶电极层为工作电极，通过施加电压操控金属在顶电极上进行可逆的电沉积与溶解实现对入射微波反射的动态调控。本发明还提供了金属可逆电沉积微波动态反射可调器件的制备方法及调控方法。本发明提供的器件能够实现宽带大幅度的微波反射动态调控、能耗低、结构简单；本发明提供的制备方法工艺简单，制备周期短，可用于工业化生产。技术研发人员：刘东青,孟真,程海峰,祖梅受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29