編號：2955超材料的制備,應用及發(fā)展(終結版)

1、 姓 名 ： 賈明 專業(yè)班級 ： 精化（2）班 論文題目 ：超材料的制備，應用及發(fā)展 指導老師 ： 羅大為 目錄摘要1關鍵詞11.超材料簡介1 1.1超材料的提出1 1.2深圳光啟高等理工研究院的最新研制成果22.超材料的制備 32.1 傳統(tǒng)超材料的制備32.2現(xiàn)代超材料的制備4 2.2.1紅外可見光波段左手超材料制備4 2.2.2太赫茲波段左手超材料制備 7 3.超材料的應用及發(fā)展 8 3.1“左手材料”及其應用 9 3.2光子晶體及其應用 9 3.3超材料在電磁波方向的應用 10 3.4超材料在其他領域的潛在應用 10 3.5超材料發(fā)展趨勢 114.結論11參考文獻12致謝13超材料的制備

2、，應用及發(fā)展 摘要本文詳細的介紹了在近年來運用各種物理機化學方法進行超材料制備的新技術，這些新技術的出現(xiàn)使超材料的制備更加簡便、經(jīng)濟和環(huán)保，對于深圳光啟高等理工研究院在超材料方向的研究成果進行了簡要的闡述，并深入的論述了超材料在不同領域的應用及發(fā)展現(xiàn)狀。關鍵詞：超材料 制備 應用 發(fā)展1. 超材料簡介 1.1超材料的提出早在1999年美國德克薩斯大學的Rodger.M.Walser教授提出了超材料的概念,超材料（Metaimterial）)是一種具有傳統(tǒng)材料所不具備的超常物理性質的特種復合材料或人工復合材料，通過在材料關鍵物理尺度上的結構有序設計，突破某些表觀自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界固有

3、的普通性質的超常材料功能，從而實現(xiàn)定制化電磁功能的需求。J.C.Chunder在1898年就已經(jīng)進行了著名的有關螺旋結構手性材料的微波實驗,這是關于電磁超材料的最早的實驗之一7。隨后在1914年,K.F.Lindman將隨機方向的小螺旋線嵌入傳統(tǒng)材料中,從而成功構造出了人工手性特征材料。此后,在1948年W.E.Kock周期性組合排列了帶狀、球狀圓、盤狀的人造介質,并將其加工制作成了輕質的微波透鏡,引起了廣泛的轟動。從此,超材料逐漸引起了國內(nèi)外學術界的強烈關注。目前在國內(nèi)對超材料尚未有一個嚴格的、權威的定義,因此超材料,也稱為左手材料、人工電磁材料、異向介質。狹義的超材料一般指的是由V.G.V

4、eselago于1968年提出的理論設想即“左手材料”(Left-HandedMaterial,LHM), LHM的主要是Veselago根據(jù)麥克斯韋方程的積分形式,預測了電磁波同時在具有負磁導率和負介電常數(shù)材料中傳播時,其具有傳播方向相反的相位和能量,并在理論上證實了這一相反電磁特性,當光(或微波)射入到這種材料上時,其折射率為負并且波矢方向與能量傳播方向相反,那么波矢量k、電場強度E與磁場強度三者構成左手螺旋關系,故稱之為左手材料4。 超材料的出現(xiàn),為經(jīng)典電磁理論打出了新突破口,為傳統(tǒng)的電磁理論開辟了新的研究空間,超材料的潛在的應用前景和巨大科學意義將會對航天航空、國防、雷達、醫(yī)學成像等領

5、域有著顯著的影響。隨著研究人員對超材料探索的日益加深,除了左手材料外,超材料還包括各向異性介質、單負材料、手性介質等。接下來,我將簡要介紹下超材料的基本電磁理論。1.2深圳光啟高等理工研究院的最新研制成果深圳光啟高等理工研究院致力于開創(chuàng)并引領超穎射頻（Meta-RF）技術在無線互聯(lián)、航空航天及智慧社區(qū)等領域的革命性應用，為業(yè)界提供具有卓越電磁性能的產(chǎn)品、為行業(yè)提供革命性的創(chuàng)新技術標準、為用戶帶來前所未有的信息服務體驗。深圳光啟高等理工研究院在全球范圍內(nèi)率先實現(xiàn)了超材料的大規(guī)模設計和工程化制造，主要從超材料平板衛(wèi)星天線、超級WiFi這兩個最新的研制成果來談論深圳光啟高等理工研究院在超材料方面的研

6、究進展：圖1.1 超材料平板衛(wèi)星天線Meta-RF新型衛(wèi)星通信產(chǎn)品是光啟基于超材料與Meta-RF電磁調制創(chuàng)新技術開發(fā)的一系列衛(wèi)通專利產(chǎn)品及解決方案。采用超材料電磁薄膜設計，衛(wèi)星通信天線的超材料核心層僅2mm厚，與整機系統(tǒng)綜合設計，具有尺寸小、重量輕、易于便攜運輸?shù)染C合優(yōu)勢。該系列產(chǎn)品的最大特點是對衛(wèi)星通信電波的靈活調制從而實現(xiàn)產(chǎn)品便攜化、共形化等個性化需求。圖1.2 地鐵上的超級wifi軌道交通、大型園區(qū)等空間里的電磁環(huán)境非常復雜，經(jīng)常會具有若干類似或相同頻段的各類電磁波信號。該方案嚴格的控制了WiFi信號覆蓋的區(qū)域和范圍，優(yōu)化了復雜電磁環(huán)境中WiFi覆蓋的解決方案。“無線信號強則上網(wǎng)速度快

7、”一直以來是無線WiFi接入的一個誤區(qū)。在熱點擁擠的情況下，無線信號過強不僅解決不了上網(wǎng)接入的問題，反而會干擾其它熱點的正常工作，并且增大了電磁波對人體的輻射。為此，超級WiFi無線互聯(lián)解決方案進行了定制化的功率控制優(yōu)化方案，使輻射功率降低、接入速度提升。2 超材料的制備 2.1傳統(tǒng)超材料的制備1996 年 Pendry 等人制備出的人工介質主要是由金屬諧振環(huán)(SRR,SpHt-Ring Resonator)和具有周期性排列的細金屬棒(rod)陣列組成,其中薄金桿陣列周期性結構可實現(xiàn)微波頻段的等效為負,利用周期性金屬諧振環(huán)(SRR,SpHt-Ring Resonator)結構實現(xiàn)在微波頻段等效

8、為負。在Pendry設計模型的理論基礎上，D.R.Smith等人，有規(guī)律地排列了金屬諧振環(huán)板和細金絲板,制作出了等效和等效同時為負雙負人造復合介質,這也足世界上第一塊雙負材料(見圖2.1)7。隨后D.R.Smith等人又進行了更深入的研究,并于2001年制作出在X頻段等效和等效同時為負人工左手材料,他們通過實驗得出,當電磁波斜入射到常規(guī)材料和左手材料的分界表面時,二者分界面法線的同側同時發(fā)現(xiàn)了入射波和折射波,這就著名的“棱鏡實驗” ，這一實驗首次證實了人工左手材料的存在。2003年美國著名雜志Science將電磁超材料評選為年度的十大科技進展之一,此后,超材料便引起了電磁學界、物理科學界及其各

9、相關領域的研究熱情和廣泛關注。 圖2.1有負介電常數(shù)（）和負磁導率（）的雙負超材料2.2現(xiàn)代超材料的制備 2.2.1紅外可見光波段左手超材料制備紅外可見光波段左手超材料指的是在紅外可見光的照射下電常數(shù)（）和磁導率（）均為負，表現(xiàn)出超材料性能的復合材料。紅外和可見光波段左手材料主要采用物理刻蝕方法來制備的。2005年.等Brueck利用該方法首次制備出了能夠在紅外可見光區(qū)具有超材料性能金屬-電介質-金屬多層結構的復合材料（見圖2.2），使人們想要制備紅外可見光波段左手超材料的夢想成為現(xiàn)實。 圖2.2 金屬-電介質-金屬多層結構的復合材料的原理圖（a），SEM圖（b）但是該方法這種方法工藝復雜、設

10、備昂貴、制備周期長, 并且制備樣品的尺寸僅僅能達到平方微米量級, 因此極大地限制了光波段超材料的應用和研究。于是2006年趙曉鵬課題組首先提出了一種樹枝狀結構單元模型來實現(xiàn)左手超材料。研究結果表明樹枝狀無序的結構也能產(chǎn)生左手效應, 為利用化學電沉積的方法制備光頻段左手材料奠定了堅實理論基礎。2008 年, Liu 等利用化學電沉積無序銀樹枝結構的方法實現(xiàn)了紅外波段的超材料?；瘜W方法制備超材料經(jīng)濟、簡單、高效, 可以通過控制實驗條件, 來實現(xiàn)納米尺度金屬結構的制備, 為光波段超材料的研究與應用創(chuàng)造了一種新途徑2。2010年，程小超等利用“自下而上”的化學電沉積方法，通過控制沉積電壓和沉積時間制備

11、出了不同尺寸的PVA-銀-PVA“三層結構”光波段超材料（見圖2.3）。并研究了其光學性質.。研究表明，樣品在6001750 nm波長范圍能夠出現(xiàn)多個透射峰, 并且在透射譜的峰值波長處出現(xiàn)能夠平板聚焦效應, 表現(xiàn)出了明顯的超材料的行為。 圖2.3 電沉積銀的SEM照片 2010年，趙延等在雙魚網(wǎng)左手模型的基礎上，利用模板輔助電化學沉積法，以粒徑為1000nm、800nm、420nm的二維聚苯乙烯(PS）膠體晶體為模板來制備金屬銀納米網(wǎng)格結構，且進一步將其組裝為可見光波段的雙魚網(wǎng)結構。并對其光學性能進行研究，結果表明隨著結構周期的減小，金屬銀納米網(wǎng)格的透射通帶位置便會出現(xiàn)藍移. 并且使用周期是4

12、20nm的金屬銀納米網(wǎng)格（見圖2.4）組裝成雙魚網(wǎng)結構，在610nm處出現(xiàn)透射增強和平板聚焦效應8. 假如使用結構周期更小的模板，可能實現(xiàn)更短波長，甚至藍光波段雙魚網(wǎng)結構的超材料. 圖2.4 結構周期為420nm的金屬銀納米網(wǎng)格的SEM照片 (a)低倍； (b)高倍 2011年，范寶林等利用化學鍍法和溶劑熱合成法制備了形貌如海膽狀AgTiO2并且經(jīng)過組合制備了結構為ITOG(G)+PVA+AgTiO2+PVA+ITOG(G)的材料。經(jīng)過透射性能測試和平板聚焦測試發(fā)現(xiàn)，該材料在波長400nm、470nm、590nm處有明顯的透射峰，且在波長400nm和590nm處測得了平板聚焦現(xiàn)象。該方法制備不

13、僅成本低而且設備簡單，并且制備的結構單元尺寸較小結構精細，在制備三維結構單元方面具有明顯優(yōu)勢。 2013年，尚超紅等通過溶劑熱法合成了仙人球狀Ag/TiO2顆粒,并用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）對其進行表面修飾，在經(jīng)過乳液聚合法制備了Ag/TiO2PMMA（見圖2.5）復合材料. 光學性能測試顯示該材料在可見光波段波長為530nm附近左右出現(xiàn)了單一透射峰，并且在此波長下呈現(xiàn)納米平板聚焦現(xiàn)象6。 圖2.5 Ag/TiO2PMMA在不同放大倍數(shù)下的投射電鏡圖 同年，李颯等通過使用一種全新的乳液聚合法，結合自下而上的模板輔助電化學沉積法制備了大面積的有序周期常數(shù)為135nm的金屬銀

14、雙漁網(wǎng)材料，該結構結構周期性程度高并且致密有序，在紅外可見光波段的透射性能和有效面積都有顯著提升。這種新型乳液聚合法和模板輔助電化學法具有著工藝簡單成本低廉的優(yōu)點便于推廣和應用。2.2.2太赫茲波段左手超材料制備 太赫茲波一般是指振蕩頻率介于微波和紅外輻射之間在 0.1-10THz 范圍內(nèi)的電磁輻射，是電子學向光子學過渡的區(qū)域。太赫茲波具有很多獨特性質,使其在生物化學成像、光譜、短距離無線通訊和傳感等方面具有廣闊的應用前景。超材料對入射的太赫茲波具有電磁響應是其應用于各類太赫茲的器件的基礎,因而太赫茲諧振器是各種太赫茲器件中最為關鍵的一種。太赫茲波段超材料的制備主要采用傳統(tǒng)光刻蝕的方法,該技術

15、具有器件特性好、加工精度高等優(yōu)點7。2004年，Yen等利用該方法制備出了人工符合材料，首先在太赫茲波段實驗實現(xiàn)了雙開口諧振器（SRR，見圖2.6）的磁響應。次年,Katsarakis 等對不同偏振方向下的雙開口諧振器結構的磁響應進行了研究,并分析了多諧振峰產(chǎn)生的機理, SRR 結構自此開始廣泛應用于多諧振器件的研究，開啟了人們對太赫茲波段超材料的研究。 圖2.6雙開口諧振器（SRR）結構圖 2009 年，Ranjan Singh 等提出一種基于 SRR 不同取向的組合來構建新結構的方法，其中 MM1 和 MM4 結構均具有較好的雙諧振性。2013 年，王文濤等通過實驗實現(xiàn)了基于 TU 組合結

16、構的太赫茲多頻的諧振器，分析得知三個諧振峰分別由 T 結構、U 結構以及 TU 結構之間的間隙分別的對入射波的響應引起的。3.超材料的應用及發(fā)展超材料使用復合諧振，可以使光在任何方向上彎曲；通過使周圍的光改變方向，很有可能覆蓋他們視覺以內(nèi)的空間范圍。超材料是一種定制化的電磁調制材料，因其具有多種特殊的性能，在雷達、隱身、電子對抗等諸多裝備技術領域擁有巨大的應用潛力和發(fā)展空間。目前，深圳光啟高等理工研究院已發(fā)展形成了以超材料技術為基礎的隱身、反隱身、超級陣列三大軍工產(chǎn)品體系，在特種天線罩、特種天線等領域成功實現(xiàn)了工程化應用。作為民營高新技術企業(yè)，深圳光啟高等理工研究院以其在超材料領域的領先技術優(yōu)

17、勢投入到武器裝備的升級換代中，參與了多個國防重點項目的預研和研制，是軍民融合、創(chuàng)新發(fā)展的典范！超材料的負折射效應和基于該理論制備的隱身斗篷分別在2003年和2006年被美國科學雜志評為年度十大科技突破之一如今數(shù)學家已經(jīng)給出了一幅藍圖，空心光纖內(nèi)鑄入“超材料”制造出有覆層的管道，每個這種管道可以掩蓋從平面象素陣列過來的光，可以進行3-D顯示9。在3-D中對微小覆層管道的排列，除了發(fā)光的一端，從平面象素陣列過來的光可以通過光纖而不被看到，這就好像光是浮在空中一樣。“光通過一個物體的一端，看著它在管道中消失，卻在另一端重新看見光”，羅徹斯特大學研究“超材料”的教授Greenleaf介紹說。 超材料的

18、太赫茲諧振器可應用于成像系統(tǒng)與太赫茲光譜技術，在多頻濾波器、寬帶吸波器、開關調制等方面也有著很大的應用潛力。3.1“左手材料”及其應用 左手材料具有具有許多獨特的性質應用。以下是幾個例子：(1)電磁波在左手材料中的傳播在左手材料中傳播的電磁波與在右手材料中傳播的電磁波具有綴不同的性質。在這類材料中，能量的傳輸方向與相位的傳輸方向相反。(2)透鏡現(xiàn)象由于左手材料具有特殊的折射現(xiàn)象，有人提出了用左手材料設計透鏡的思想，這對設計新型的無像差的“完美透鏡”無疑是非常有意義的8。左手材料提供了具有超常電磁性質的新型物理系統(tǒng)。可以預期這類材料率先獲得應用的領域將是信息技術領域。目前已提出的相關元件微波天線

19、、透鏡等。圖3.1 左手材料透鏡示意圖3.2光子晶體及其應用 目前建立了很多光子晶體的有源和無源光學器件模型，并且已經(jīng)有部分光子晶體產(chǎn)品。以下是幾個應用的例子5。（1）高效率發(fā)光二極管一般發(fā)光二極管發(fā)光中心發(fā)出的光，光輻射效率很低。如果將發(fā)光二極管的發(fā)光中心放入一塊特制的光子晶體中，則發(fā)光中心發(fā)出的光不會進入包圍它的光子晶體中，而會沿著特定設計的方向輻射到外面去。（2）微波天線傳統(tǒng)的微波天線制備方法是將天線直接制各在介質基底上，這樣就導致大量的能量被基底所吸收，因而效率很低。利用光子晶體作為天線的基片，此微波波段落在光子晶體的禁帶中。因此基底不會吸收微波。這就實現(xiàn)了無損耗全反射，把能量全部發(fā)射

20、到空中。3.3超材料在電磁波方向的應用 超材料還在很多方面對隱身領域的發(fā)展起到了非常顯著的作用。例如，Alu 和Engheta 等提出用超材料作為涂層，利用超材料可以縮減復合球體的總散射面積。當物體具有非常小的散射面積時，將具有較好的隱身效果10。另一種隱身方法是令涂層復合材料的等效參數(shù)與背景介質的材料參數(shù)達到匹配，這時涂層復合材料將對電磁波沒有干擾，從而也能達到隱身的效果。 圖3.2 超材料迷你射頻濾波器 圖3.3 旋轉電磁波極化圖3.4 扭曲電磁波-超材料隱身衣3.4超材料在其他領域的潛在應用 光學超材料所具有的獨特的性質，其還是具備了其他常規(guī)材料所不具備的巨大的、廣泛的潛在應用，包括大量

21、的新型光學器件功能如突破衍射極限的近場及遠場成像、二次諧波發(fā)生，光學開關、亞波長波導、光學集束與光旋轉器件、光學隱身、光學自增益器件、光學檢測設備、光學通信與傳感器件、光學信息存儲器件、光學二極管、諧振器與激光腔、光學相位補償/共軛器件、納米光刻、納米電路/光路等。這些應用的實現(xiàn)必將對現(xiàn)有技術乃至人類生活的各個方面產(chǎn)生極其深刻的影響7。 3.5超材料發(fā)展趨勢 超材料具備與常規(guī)介質不同的特異物理性質，使得它在與國民經(jīng)濟發(fā)展有關的各行業(yè)諸如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、通信、國防等諸多領域存在巨大的潛在的應用前景。雖然對于超材料的研究已經(jīng)取得了許多可喜的成就，但其多數(shù)研究還處于在理論研究及實驗階段18。對

22、光學超材料領域的研究仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，這同時也是難得的機遇。 4. 結論 隨著科學技術的日新月異的發(fā)展，人們對未知領域的探索逐漸清晰，超材料的合成和應用發(fā)展也在進一步加深。超材料的已經(jīng)在微波、紅外可見波段和太赫茲波段都得到了證實，起各種可能的潛能也正在被研究者們慢慢發(fā)覺。目前，深圳光啟高等理工研究院已發(fā)展形成了以超材料技術為基礎的隱身、反隱身、超級陣列三大軍工產(chǎn)品體系，在超材料平板衛(wèi)星天線、超級WiFi等領域成功實現(xiàn)了工程化應用。其合成途徑也逐漸由以前的光刻蝕到化學合成等手段，方法更加簡便，手短更加環(huán)保，更加經(jīng)濟適用。光學超材料研究依然任重道遠，作為新興科研機構，深圳光啟高等理工研究院的運作模式創(chuàng)新，組織架構靈活，給予了研究人員更多自由發(fā)揮的空間，讓真正的創(chuàng)新人才找到創(chuàng)新機構，“讓創(chuàng)新DNA自由生長”。 參考文獻1尚超紅等.仙人球狀Ag/TiO2TAMM超材料的制備與納米平板聚焦效應J材料導報:研究篇,2013,27(4):1-42相建凱等.可見光波段超材料的平面聚焦效應J物理學報,2010,59(6):4023-4028.3李 颯等.一種新型大面積綠光雙漁網(wǎng)結構超材料的制備方法J功能材料，2013，44（5）：756-758.4王睿等.基于極性晶格振動的本征型超常電磁介質J科學通報，