1、雙層微納結(jié)構(gòu)增強電磁屏蔽的機理分析與驗證作為一種網(wǎng)格型透明導電薄膜，金屬微納結(jié)構(gòu)具有高透光性1-4，其光學性能主要通過結(jié)構(gòu)的周期和線寬尺寸進行調(diào)節(jié)。與其他傳統(tǒng)連續(xù)透明導電薄膜相比，金屬微納結(jié)構(gòu)的周期遠大于可見光波長，又遠小于微波波長，因此同時具備高透光和電磁屏蔽性能5。通過在透明基底上制備圖案化的微納結(jié)構(gòu)，不同的金屬圖案結(jié)構(gòu)和尺寸，呈現(xiàn)出不同的光學和電磁屏蔽性能，金屬微納結(jié)構(gòu)在透明電磁屏蔽領域備受重視。在透明電磁屏蔽領域，透明導電薄膜要具有較高的光學透過率1，4，且在所需微波頻段能夠產(chǎn)生良好的屏蔽性能5。金屬微納結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的ITO透明導電薄膜相比具有透光率高、柔韌性強以及尺寸參數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的優(yōu)

2、點，但透光率與電磁屏蔽性能不能兼顧4-5。為了解決上述問題，科研人員采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，通過不同圖案結(jié)構(gòu)的性能對比發(fā)現(xiàn)，雖然結(jié)構(gòu)優(yōu)化6-7在相同透光率下能提高電磁屏蔽性能，但性能提升效果并不明顯。由此可知，在單層微納結(jié)構(gòu)基礎上僅改變微納圖案結(jié)構(gòu)及尺寸難以顯著提升透光率和電磁屏蔽性能，因此，科研人員開始聚焦雙層/多層微納結(jié)構(gòu)的研究8-14。國外最早研究雙層微納結(jié)構(gòu)并應用于紅外濾波8，隨后我國學者將雙層微納結(jié)構(gòu)應用于透明電磁屏蔽9-10，13，并通過研究發(fā)現(xiàn)雙層微納結(jié)構(gòu)在相同透光率前提下能提升屏蔽效能，這引起了科研人員的興趣。圍繞雙層微納結(jié)構(gòu)眾多學者展開了卓有成效的研究，提出并設計了雙層方格微納結(jié)

3、構(gòu)9-10、雙層圓環(huán)微納結(jié)構(gòu)11、方格和圓環(huán)混合雙層微納結(jié)構(gòu)13以及多層微納結(jié)構(gòu)14等，取得了良好的光學和電磁屏蔽性能。但是，目前的研究大多是通過結(jié)構(gòu)設計在相同透光率下增強電磁屏蔽性能，鮮見對其電磁屏蔽增強的作用機理研究。本文以方格結(jié)構(gòu)為例分析了雙層微納結(jié)構(gòu)的增強電磁屏蔽效能的機理，推導出雙層方格型微納結(jié)構(gòu)電磁屏蔽的理論計算公式，并與全波軟件仿真結(jié)果進行了對比，驗證了機理分析的正確性。該電磁屏蔽增強機理分析與理論計算公式可擴展到多層微納結(jié)構(gòu)，具有通用性。制備了的雙層方格微納結(jié)構(gòu)透明導電薄膜樣品，通過實測進一步驗證了電磁屏蔽增強機理的有效性。2 理論分析及模型建立2.1單層微納結(jié)構(gòu)理論分析196

4、4年，Vogel等提出了一種方格微納結(jié)構(gòu)15，并在遠紅外波段對它進行了透射和反射性能研究。1967年，Ulrich首次在理論和實驗上給出了金屬微納結(jié)構(gòu)及其互補結(jié)構(gòu)的光學特性并用傳輸線等效電路進行了描述16。在Ulrich模型的基礎上，研究人員又對微納結(jié)構(gòu)的等效模型進行了補充分析和研究17-18。1993年，Kohin， Margaret等基于Ulrich的電路模型給出了微納結(jié)構(gòu)的歸一化導納公式，以及由此得到的微波透過率公式，并且進行了相應的近似和簡化，這方便了對微納結(jié)構(gòu)的分析和計算推導19。微納結(jié)構(gòu)理論分析一般以方格結(jié)構(gòu)為例，其總透光率等于所有光學衍射級透過率的總和，可以采用遮攔比對總透光率近

5、似表示1：TL=(g2a)2g2（1）其中：2a是線寬，g是微納結(jié)構(gòu)周期。由此可知，對線寬和周期尺寸進行優(yōu)化可提升透光率。單層微納結(jié)構(gòu)作為一種感性導納結(jié)構(gòu)在電磁波垂直入射時的透過率近似表示為：Te=S21S*21=4X2mZ20+4X2m4X2m（2）其中Xmglnsin(ag)，化簡得到19：Te4g22ln(sinag)2（3）將透光率公式和微波透過率公式化簡合并，可以得到透光率和微波透過率之間的關系：Te4g22ln(sin(1TL)2)2（4）由式（4）可知，單層微納結(jié)構(gòu)的微波透過率與透光率之間成正比關系，即在結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，透光率越高，微納結(jié)構(gòu)的微波透過率也越高，即電磁屏蔽性能

6、越差，透光率與電磁屏蔽性能之間相互制約。2.2雙層微納結(jié)構(gòu)等效分析模型本文引入雙層微納結(jié)構(gòu)以提高屏蔽效能，雙層結(jié)構(gòu)的等效電路如圖1所示。在兩個并聯(lián)電感之間有一段傳輸線。圖1雙層微納結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路Fig.1Schematic diagram and equivalent circuit of double-layer micro-nano structure雙層微納結(jié)構(gòu)由兩個單層微納結(jié)構(gòu)和一定厚度的透明介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)組成。由于單層微納結(jié)構(gòu)在等效電路中相當于感性導納結(jié)構(gòu)，考慮到一般情況，上下兩個端口都為空氣介質(zhì)，中間支撐層為相對介電常數(shù)為r的一般透明介質(zhì)，因此其等效電路為兩個并聯(lián)導納之間串接了

7、一段傳輸線。相對于波長，雙層微納結(jié)構(gòu)的間距較近，因此這是一段緊耦合傳輸線，兩個單層網(wǎng)柵之間會產(chǎn)生強烈的耦合作用。3 電磁屏蔽增強機理分析設雙層微納結(jié)構(gòu)間距為d，轉(zhuǎn)化成電長度=2gd，得到其傳輸（ABCD）矩陣關系式如下：ACBD=11jXm01cos()j1Zgsin()jZgsin()cos()11jXm01,（5）其中Zg=Z0r，r為支撐介質(zhì)的相對介電常數(shù)，化簡得到：ACBD=cos()+ZgXmsin()2cos()jXm+ZgjX2msin()+j1Zgsin()jZgsin()ZgXmsin()+cos()（6）代入到歸一化矩陣中得到參數(shù)S，其中S21的表達式為：S21=2a+b+

8、c+d=j2Z0ZgX2mj2Z0ZgXmXmcos()+Zgsin()X2msin()(Z20+Z2g)+Z20Zg2Xmcos()+Zgsin()（7）利用透射系數(shù)推導得到雙層微納結(jié)構(gòu)的電磁波透射率為：T=S21S*21=4Z20Z2gX4mZ20Zg(2Xmcos()+Zgsin()X2msin()(Z20+Z2g)2+4Z20Z2gX2m(Zgsin()+Xmcos()2（8）由雙層微納結(jié)構(gòu)透射推導機理可知，雙層微納結(jié)構(gòu)層與層之間的間距與電磁透射率密切相關，且這一微納結(jié)構(gòu)透射機理可推廣至三層乃至多層微納結(jié)構(gòu)，具有通用性。4 計算仿真分析與實測結(jié)果4.1計算與仿真分析為驗證上述雙層微納結(jié)

9、構(gòu)公式用于電磁屏蔽增強機理分析的正確性，鑒于鎳金屬相對于襯底具有良好的黏附力，因此設計了一種銅鎳合金的雙層方格形微納結(jié)構(gòu)。而PET介質(zhì)作為一種常見的柔性透明襯底材料和金屬嵌入介質(zhì)的考慮，在本文中采用PET透明介質(zhì)作為雙層微納中間隔離層。為了增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少金屬與空氣之間的接觸提升微納結(jié)構(gòu)的抗氧化能力，將金屬結(jié)構(gòu)齊平嵌入到PET介質(zhì)中，如圖2所示。從圖中可以看出，該雙層微納結(jié)構(gòu)為方格型周期結(jié)構(gòu)，在尺寸參數(shù)普適性的基礎上，基于仿真計算分析和方便制備的角度出發(fā)，選用周期g=120 m，線寬2a=10 m，結(jié)構(gòu)厚度t=2 m，PET介質(zhì)厚度為h=100 m。將結(jié)構(gòu)參量代入理論計算公式計算方格型雙層

10、微納結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽性能，并與單層微納結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽性能進行了對比，同時在軟件CST中對方格型雙層和單層微納結(jié)構(gòu)建模進行全波仿真，結(jié)果如圖3所示。單層和雙層微納結(jié)構(gòu)的理論計算和仿真結(jié)果吻合較好，其中的細微差異是由于微納結(jié)構(gòu)計算是假定金屬厚度很薄的情況下推導出的近似公式而實際仿真模型有一定厚度導致的。由于在全波仿真中微納結(jié)構(gòu)比計算對應波長小23個數(shù)量級，理論計算結(jié)果與全波仿真結(jié)果相互驗證對方結(jié)果的正確性。圖2雙層方格型微納結(jié)構(gòu)Fig.2Double-layer square micro-nano structure圖3雙層網(wǎng)柵與單層網(wǎng)柵的屏蔽效能計算和仿真結(jié)果對比Fig.3Comparison o

11、f shielding effectiveness calculation and simulation results between double-layer and single-layer grids從圖3還可以看出，在218 GHz，雙層方格型微納結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽性能比單層方格型微納結(jié)構(gòu)高15 dB左右，驗證了雙層微納結(jié)構(gòu)具有電磁屏蔽性能增強的作用。通過上述分析可知，進行雙層或多層設計可解決單層結(jié)構(gòu)透光率與電磁屏蔽之間性能制約的矛盾。進一步，在微納結(jié)構(gòu)周期、線寬和金屬厚度不變的情況下，分析了PET厚度對方格型雙層微納結(jié)構(gòu)電磁屏蔽性能的影響，PET厚度從50 m增加到250 m，分析結(jié)果

12、如圖4所示。從圖中可以看出，隨著PET厚度的增加，即雙層微納結(jié)構(gòu)之間的距離越大，電磁屏蔽性能越好，但是厚度增加得越大，電磁屏蔽性能增大的變化率越小。由此可知，考慮透光率，PET厚度不是越大越好。圖4不同PET厚度下雙層微納結(jié)構(gòu)屏蔽效能的仿真結(jié)果Fig.4Simulation results of shielding effectiveness of double-layer structure under different PET thicknesses4.2實測驗證及結(jié)果對比分析為進一步驗證機理分析和全波軟件仿真結(jié)果的正確性，制備了雙層方格微納結(jié)構(gòu)樣件，如圖5所示。從圖中較清晰地看到覆蓋的

13、NUDT的字樣，展現(xiàn)了較好的透光性能。圖5雙層微納結(jié)構(gòu)實物樣件Fig.5Sample of double-layer micro-nano structure采用光譜儀測試了樣件的透光率，結(jié)果如圖6所示，在400700 nm的可見光波段，樣品的平均透光率為71%。在微波暗室采用雙天線法測試了樣件的屏蔽效能，并與理論計算結(jié)果進行對比，如圖7所示。從圖中可以看出，測試結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致，在218 GHz的屏蔽效能大于45 dB，其中存在的細微誤差是由樣件每個角的加工誤差所致。由測試結(jié)果可知，樣件具有良好的透明屏蔽性能。圖6雙層方格型微納結(jié)構(gòu)的透光率測試結(jié)果Fig.6Measured light transmittance test result of double-layer square micro-nano structure圖7雙層方格微納結(jié)構(gòu)電磁屏蔽效能的測試與仿真結(jié)果Fig.7Electromagnetic shielding effectiveness test and simulation results of double-layer square micro-nano struc