超材料研究及應用發(fā)展趨勢

江洪 王微 許露

超材料（Metamaterial）與過去一直研究和應用的銅、鐵、半導體等原子、分子以及納米級別的材料不同，是一種全新材料，它提供了一種可以讓人們隨心所欲制造具有許多特殊物理性質(zhì)的全新思路與方法?？梢哉f，超材料是繼高分子材料、納米材料之后材料領(lǐng)域又一重大突破，將對世界科技發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

超材料的基本設(shè)計思路是以某種具有特殊功能的人工結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計材料關(guān)鍵物理尺度的結(jié)構(gòu)，以得到不受自然規(guī)律限制的天然材料不具有的超常功能。超材料類似于自然界中存在的晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，通過原子的有序排列和有序調(diào)節(jié)，使得晶體材料顯示出一些無定型態(tài)所不具備的物理特征。而超材料可以理解為人們通過各種層次的有序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對各種物理量的調(diào)制，從而獲得自然界中在該層次上無序或無結(jié)構(gòu)的材料所不具備的物理性質(zhì)。

一、超材料的種類

超材料一詞在1999年被Rodger首次提出，其范圍主要包括左手材料、光子晶體、電磁晶體、超磁性材料、頻率選擇表面、人工磁導體、基于傳輸線結(jié)構(gòu)的超材料、等離子結(jié)構(gòu)的超材料等。

1.負折射率材料

負折射率材料的基本原理來自于電磁學理論，用來表示某一種物質(zhì)的電磁性質(zhì)的是介電常數(shù)和磁導率這2個基本物理量。如果這2個常數(shù)都是負數(shù)就被認為“不具有任何物理意義”。前蘇聯(lián)科學家韋謝拉戈（Veselago）在20世紀提出了介電常數(shù)與磁導率可能同時為負的理論，并構(gòu)想了一種具有負折射率的材料（圖1），由于它違反了光學定律，人們普遍認為它只是科學家臆想出來的理論，并不可能實際存在。

然而，2003年英國帝國理工學院的彭德利（Pendry）通過理論計算得出了2個重要推論：①間距在毫米級金屬細線的格子中具有類似等離子體的物理行為，共振頻率在GHz與低于此頻率時介電常數(shù)出現(xiàn)負值；②利用非磁性導電金屬薄片構(gòu)成開環(huán)共振器組成的方陣（見圖2），可實現(xiàn)負的有效磁導率，而且負的磁導率是可調(diào)的。這個理論為人工實現(xiàn)超材料帶來了可能，實現(xiàn)這種理論的材料在自然界的物質(zhì)中是無法達到的，但通過人為設(shè)計最終有可能達到。

2.零折射率超材料

2006年，Pendry又設(shè)計了零折射率超材料，可以用于制備“隱形斗篷”（如圖3）。因為光在負折射率材料中的折射與常規(guī)材料中的折射是相反的，因此，光從正折射率的材料入射到負折射率材料的界面上時，其入射光線和折射光線處于界面法線方向同一側(cè)，從而可以帶來光的異常傳播和光的扭曲現(xiàn)象，基于這一原理設(shè)計了具有隱身特性的材料。而美國哥倫比亞大學機械工程系副教授王琪薇等將正折射率和負折射率結(jié)合在一起，實現(xiàn)了對光子相位的精確控制，還研制出一種能操縱光的折射率并且完全控制光在空氣中的傳播的光納米結(jié)構(gòu)，并證明光能從某一點傳到另一點而毫無相變地穿過人造傳播媒介，好像該媒介并不存在一樣。

在一段時間內(nèi)，研究人員在左手材料、電磁黑洞、隱身斗篷、透射增強材料等超材料中看到許多不一樣的電磁特性。超材料領(lǐng)域研究中處于領(lǐng)軍地位的國家和地區(qū)主要是美國和歐洲。2000年底，美國國防部“國防高級研究計劃署”聯(lián)合美國一些大學和研究機構(gòu)，開展了關(guān)于超材料的研究計劃，為超材料技術(shù)的廣泛應用奠定了基礎(chǔ)。歐盟也聯(lián)合歐洲24所大學共同開展了聯(lián)合協(xié)調(diào)項目METAMORPHOSE（MetaMaterials Organized for radio，millimeterwave，and Photonic Superlattice Engineering）。

我國主要通過國家自然科學基金、國家“973”計劃、國家預研技術(shù)等項目對超材料的基礎(chǔ)研究工作予以資金支持，并且產(chǎn)生了一批具有影響力的研究成果。如清華大學、中國科學院物理研究所、東南大學、浙江大學、復旦大學、南京大學等研究機構(gòu)都在相關(guān)的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域形成積累，并形成了在國際上有一定影響的研究隊伍。

在超材料技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面，國外在積極進行超材料產(chǎn)業(yè)化研究的公司包括波音航天航空公司（美國）、豐田汽車公司（日本）、LG電子公司（韓國）、雷神導彈公司（美國）等；國內(nèi)的深圳光啟高等理工研究院（簡稱“深圳光啟研究院”）在超材料產(chǎn)業(yè)化方面取得了一定成果，在推進超材料產(chǎn)業(yè)化方面走在世界前列，該研究院的超材料平板式衛(wèi)星天線已經(jīng)在個別地區(qū)得到了應用。

二、超材料的應用領(lǐng)域

超常的物理特性使得超材料的應用前景十分廣泛，其應用范圍覆蓋了工業(yè)、軍事、生活等各個方面。特別是電磁超材料，對未來的通信、光電子/微電子、先進制造產(chǎn)業(yè)以及隱身、探測、核磁、強磁場、太陽能及微波能利用等技術(shù)產(chǎn)生了深遠的影響。

不同性質(zhì)的超材料可以應用于不同的領(lǐng)域，比如，用于微波器件設(shè)計和制作的超材料，可以制作成寬帶相移器、功率分配器、平板聚焦透鏡、帶通濾波器、高指向天線、耦合器等元器件，并廣泛應用于電磁波防護、電磁隱身等領(lǐng)域。

用于制作光學透鏡的超材料，可以制作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學透鏡，其中不受衍射極限限制的透鏡主要應用于微量污染物質(zhì)探測、醫(yī)學診斷成像、單分子探測等領(lǐng)域，高定向性透鏡主要應用于透鏡天線、新型龍伯透鏡、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統(tǒng)等領(lǐng)域，高分辨能力的平板型光學透鏡主要應用于集成電路的光學引導原件等領(lǐng)域；電磁超材料可以用于隱身衣、電磁黑洞、慢波結(jié)構(gòu)等元器件的制作。其中，隱身衣主要應用于軍事領(lǐng)域；電磁黑洞主要應用于太陽能電池，紅外熱成像，飛機、導彈、艦艇、衛(wèi)星等領(lǐng)域；慢波結(jié)構(gòu)主要應用于太陽能發(fā)電、高分辨紅外熱成像技術(shù)、光緩存、深亞波長光波導等領(lǐng)域。

通過分析全球重點研究機構(gòu)超材料研究的最新動態(tài)，可以及時了解超材料研究的發(fā)展方向及新興市場。因而，通過本文對全球重點研究機構(gòu)的部分超材料研究進行的解讀，可以看出，超材料制造、激光器和光子晶體諧振器是研究機構(gòu)和企業(yè)比較關(guān)注的應用研究領(lǐng)域。此外，佳能株式會社還關(guān)注將超材料用于微結(jié)構(gòu)制造和發(fā)光器件的研究；日本電報電話公司還關(guān)注將其用于天線裝置和光諧振器的研究；深圳光啟研究院還關(guān)注將其用于封裝夾具、集熱器等方面的研究；三星電子還關(guān)注將其用于射頻識別系統(tǒng)、光纖等的研究；中國科學院還關(guān)注將其用于可集成量子行走器件等的研究；京都大學還關(guān)注將其用于光電轉(zhuǎn)換元件和太陽能電池等的研究；麻省理工學院還致力于將超材料用于陀螺儀和光纖波導等領(lǐng)域的研究。近2年，韓國、德國、法國和俄羅斯的超材料領(lǐng)域研究也快速發(fā)展，世界超材料領(lǐng)域研究競爭更加激烈。

三、超材料未來發(fā)展方向

超材料將有可能成為一種前途不可限量的新型材料，但是目前距離真正大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，有許多的難題有待克服，這也將成為未來超材料研究的主流方向，并可能出現(xiàn)因技術(shù)的進一步突破取得更多成果的領(lǐng)域。筆者認為，超材料的研發(fā)要注重以下一些方向：

①對超材料的工作頻段和方向控制的研究。從工作頻段來說，超材料的頻段還只能達到紅外層次，同時大多數(shù)負折射率材料僅能在某些角度上實現(xiàn)負折射現(xiàn)象。對于實現(xiàn)更好隱身功能需要來說，其工作波段最少應覆蓋整個可見光波段，同時也需要實現(xiàn)具有各向同性的特性，即從更寬的光波波段和不同方向上實現(xiàn)對光的控制。這將是未來超材料發(fā)展的重要課題。

②超材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。超材料技術(shù)目前還處于實驗室到產(chǎn)品中試階段，如果要進行更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，還需要研究大規(guī)模制造大體積超材料的方法。目前實驗室僅掌握在平面上的超材料的制造工藝，具有三維空間的立體超材料還未實現(xiàn)。同時表面工藝也僅僅局限在很小的面積上，這距大規(guī)模地使用還有很長的距離。如何實現(xiàn)大規(guī)模地制造超材料是實現(xiàn)超材料廣泛使用的重要前提。

③新型超材料及其功能的設(shè)計、性能優(yōu)化及相關(guān)模擬仿真方法。

④不同超材料之間相互作用的研究。這一方向的研究主要包括對超材料進場波與超材料自由空間電磁波的耦合研究，以及對超材料內(nèi)部的傳播性質(zhì)的研究。而對其規(guī)律性的研究又不斷提出新的理論、技術(shù)、方法的需求，從而推動與此相關(guān)的新理論概念、分析方法和實驗測量技術(shù)的發(fā)展。