超材料研究及在國防領域的應用前景

黃慶紅 孫強

超材料一詞來源于其英文名稱Metamaterial，又被譯為特異材料，是21世紀物理學領域出現的一個新的學術詞匯，其定義是“具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料”。比如屬于超材料的左手材料（負折射率材料）同光波相互作用的方式與自然材料迥然不同。因為超材料的物性由人工結構決定而不是由材料本征特性所決定，所以超材料的誕生為材料界引入一個全新的設計理念，以往是自然界有何種材料，就能制造出何種物件，而超材料完全是逆向設計，即針對電磁波的應用需求制造出相應功能的材料。超材料的目標是利用人造構成要素替代原子及分子、以類似結晶的結構規(guī)律來形成新的傳輸介質[1]。近年來超材料的研究范圍主要有：左手材料、光子晶體、頻率選擇表面等。

一、超材料研究受到重視

1967年，蘇聯理論物理學家Veselago首次假設具有“左手/負折射率”特性的超材料存在，并發(fā)表論文，認為這種材料同時具有負介電常數和負磁導率。Veselago在論文中預言了這種材料的多種特性，包括：不同于傳統材料的正折射率，這種材料呈現出負折射率；該材料呈現電磁波的“左手”傳播特性，即電磁波的電場、磁場和波矢構成左手關系，因此被稱為左手材料。

但是直到2000年，首個關于左手材料的報告才問世。此后，Veselago的眾多預測都得到了實驗驗證或廣泛模擬。為了深入了解左手材料的物理原理和國防應用前景，美國DARPA國防科學辦公室于2009年發(fā)布負折射率材料（NIM）項目，旨在深入研究“左手”傳輸物理特性以及負折射率，以擴展能夠觀測到這種現象的頻段。研究人員已經確認了具有負介電常數和磁導率的共振射頻結構中存在負折射，目前正探索這種材料在國防上的應用。

國防應用需要顯著提高現有NIM的特性（帶寬、損耗、運行頻率等），并深入了解該材料電磁傳輸的物理特性。國防科學辦公室NIM項目的詳細技術目標包括：①實驗驗證和深入了解負折射率材料的物理特性、反向群推論以及相位速率；②研究和演示利用負折射率材料進行亞波長成像；③拓展負折射率材料的工作頻率范圍；④了解和降低負折射率材料在實際應用中的損耗機制。

按照項目設想，負折射率材料取得的技術進步會形成多個國防應用，包括輕量、微型化射頻結構，并提高成像系統的光學特性。

二、超材料設計獨樹一幟

采用遺傳算法逐個篩選超材料微結構中的幾何圖案以獲得最優(yōu)模式；利用變換光學法可根據所需光線傳播路徑設計出光學超材料。

1.遺傳算法設計寬帶超材料[3]

2014年5月，美國賓夕法尼亞州立大學電子工程和材料科學系的研究團隊使用遺傳算法設計出可以在紅外波段提供寬帶吸收的特殊材料——超材料。這是第一次設計出覆蓋紅外光譜的超倍頻程帶寬材料。具有更寬吸收帶寬意味著可以在很寬的波長范圍內使材料免受電磁輻射，屏蔽儀器不被紅外傳感器發(fā)現，起到保護儀器的作用。

研究者研究了銀、金、鈀材料，發(fā)現可以鈀提供更好的帶寬覆蓋。這種新超材料由硅襯底或基板上的疊層組成。第一層是鈀，其次是聚酰亞胺層。在此層之上是鈀絲網層。絲網有精致復雜的亞波長級幾何圖案，用于阻擋各種紅外波長。只要合理設計絲網上比波長小得多的圖案，疊層材料結構可以作為一個高效吸收器，能吸收以55°角入射到絲網上的90%的紅外輻射。聚酰亞胺層覆蓋整個吸收器。

研究者使用一種遺傳算法設計該材料所需的絲網圖案。通過一系列的0和1染色體來描述絲網圖案，讓算法隨機選擇圖案以創(chuàng)建設計初始種群。該算法測試圖案后只保存最好的并淘汰其他。最好圖案被調整為第2代。經過數代的優(yōu)勝劣汰，選拔出來的好圖案達到甚至超過了初始設計目標。隨著時間推移，每一代的最佳圖案都被保存。

如果沒有遺傳算法將無法得到一個覆蓋倍頻程的帶寬。過去研究人員一直試圖使用多個層覆蓋的帶寬，但多層難以制造和正確套準。超材料卻能容易制造，因為它是簡單的金屬或塑料層，不需要復雜的逐層套準。聚酰亞胺透明層可用來保護絲網，也有助于減少波從空氣進入裝置可能發(fā)生的任何阻抗失配。遺傳算法通常應用于電磁學，但是使用該方法設計超材料卻是首次。

2.變換光學設計超材料[4]

光學超材料由亞波長單元的均勻陣列所構成，具有設計所需的獨特性質。但當設計拓展到非均勻陣列，將產生更多的特性選擇，這為變換光學（Transformation Optics）打開了大門。與幾何光學不同，變換光學的原理，是任何所需的電磁場光滑變形都可以通過對超材料適當的設計來準確實現?？梢圆倏v亞波長陣列超材料內的電磁場，通過結構設計以任意方式改變電場線和磁場線的傳播路徑。比如，設計隱藏物體的隱形斗篷，先指定所需繞過隱藏物體的光路，再用變換光學設計滿足光路的超材料參數，如尺度、單元個數、結構和形狀。組成超材料的亞波長單元形成變換光學建構塊，在可見光波段，每個單元必須小于400～700nm。對開發(fā)光學超材料而言，變換光學將成為首選設計工具。

三、超材料制備千帆競發(fā)

如何制備大面積的超材料是研究人員關注的首要問題。依據對中國專利公布公告的檢索，在871個超材料主題公告中，超材料制備方法占據96%，可見超材料制備方法的研究正處于百軻爭流、千帆競發(fā)的蓬勃發(fā)展時期。目前較為成熟的制備方法包括“圖案第一”法、納米轉印法、剝離工藝、立體打印和電子束光刻。

1.“圖案第一”法[5]

“圖案第一”（Pattern-first）工藝是先制備一種有圖案的犧牲層襯底，然后在襯底上重復沉積其他各層。此法受到超材料總厚度（幾十納米或更?。┑南拗疲虼讼拗屏丝梢詫崿F的共振類型，以及最終的薄膜功能。實驗表明“圖案第一”的薄膜總厚度增加到300nm、沉積5個雙層薄膜時，可以產生強烈的特征共振和明顯的超材料特征。

2.剝離工藝[5]

2014年5月9日，新加坡科技研究局數據存儲研究所驗證了一種有前景的新型制備工藝——三層剝離（trilayer lift-off）工藝，可以生產大面積漁網超材料（fishnet metamaterials）。大多數光學超材料是由微小的重復金屬結構組成。當有特殊頻率的光照在結構上，可在每個結構內建立振蕩場。這些場彼此共振從而產生所需要的集體行為。漁網超材料通常有幾層垂直堆疊的重復單元，分布在較大的橫向尺度上。因為在垂直和水平方向都有結構，被稱為3維材料。

為實現上述結構，研究組采用了一種被稱為三層剝離（trilayer liftoff）的工藝，在二氧化硅（SiO2）層上附著一個有圖案的光刻膠犧牲層，在SiO2層下面涂復第2層光刻膠層。通過交替的圖案形成和蝕刻步驟，實現了薄膜厚度大大超過薄膜上光刻的橫向圖案尺寸。三層剝離技術可以幫助研究人員更容易設計和制備出大面積3維納米器件，使超材料應用成為現實。此工藝通常用于工業(yè)界很少用于實驗室。

3.納米轉印法[6]

2014年第3期《先進光學材料》介紹了美國中佛羅里達大學光學和納米技術專家們的研究成果——工作在可見光譜的長列多層3維超材料。通過使用納米轉移印刷（nanotransfer printing）法，可以改變周圍物體折射率從而控制光的傳播。納米轉印技術制備了金屬/電介質復合薄膜材料，具有納米圖案的薄膜相互層疊形成3維結構，能夠在可見光譜范圍工作。大面積制備超材料再跟隨一個簡單的印刷工藝，可以實現基于設計的納米級光學響應新型器件。

4.立體打印技術[7]

2014年4月，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所公開了一種立體打印技術制作3維周期結構超材料的方法。這種屬于微細加工和微波技術領域的制備方法，解決了現有制作超材料方法中精度差、耗時長的技術問題。此方法利用3維建模軟件分別建立超材料中金屬材料結構的3維CAD模型和樹脂材料結構的3維CAD模型，再將3維CAD模型轉換成STL格式文件，輸入雙材料立體打印機，采用不同材料同時打印超材料的金屬材料結構和樹脂材料結構，得到3維周期結構超材料。此方法可以制作任意三維周期單元任意面型的超材料，具有制作精度高、速度快、工藝簡單的特點。

5.電子束光刻[8]

2014年3月，新加坡南洋理工大學提供了一種生成在可見光-紅外范圍內可操作的超材料方法。具體步驟包括：①在基板上沉積導電材料層；②在導電材料層上形成電子束光刻膠層；③利用電子束光刻使光刻膠層圖案化以形成有圖案的基板；④將貴金屬層沉積在有圖案的基板上；⑤除去光刻膠。此方法提供了一種在可見光-紅外范圍內可操作的超材料，此超材料在基板上具有約20～40nm的最小線寬的裂環(huán)諧振器。此外，這種方法還提供了一種用于化學或生物傳感的透明光子器件或傳感器，此透明光子器件或傳感器包含所述超材料。

四、超材料在國防領域的應用前景廣闊

隨著超材料研究的不斷深入，其潛在應用范圍不斷擴展，已從微波發(fā)展到太赫茲以及光波段。令人興奮的新型應用如高效平面天線、能量采集器、隱身材料、太赫茲通信以及力學隱形衣正在不斷涌現。平面天線可以應用于軍事通信衛(wèi)星，能量采集器可為軍用傳感器網絡提供能量，而隱身材料可制作雷達難以識別的隱身飛機外殼涂層等。

1.用于平面天線的超材料[9]

2014年4月16日，英國BAE系統公司和倫敦大學瑪麗女王學院合作創(chuàng)造了一種制造平面天線透鏡的新穎超材料，可使電磁波通過透鏡聚焦，從而實現提高天線增益和增強方向性的目的。這一突破可能使飛機、艦艇、無線電和衛(wèi)星天線的設計產生劃時代的變革。

平面透鏡具備了曲面透鏡的電磁屬性，同時保留了同樣的寬帶性能。這種復合超材料透鏡能夠嵌入飛機的蒙皮中，相對于當前的機載天線這是一個重大飛躍。使用新型平面天線技術，可以用一個天線替換過去不同頻率工作的多個天線。BAE系統公司由此成為世界上第一個成功將變換光學融入超材料的企業(yè)。超材料天線具有質量低、靈敏度高和方向性好的優(yōu)點，是雷達、戰(zhàn)斗機、GPS導航系統的必備材料。

2.捕獲微波能量的超材料[10]

2013年11月7日，美國杜克大學普拉特工程學院設計了一種能量采集器，可調諧捕捉到的微波信號。能量采集器的關鍵在于應用了超材料，其人工設計結構可以捕捉各種形式的波能并調諧為可用能量，其能量轉換效率接近于太陽能電池。根據2013年12月的《應用物理快報》，此無線能量采集器件可將微波信號轉換為直流電壓，為手機電池或其他小型電子設備充電。

能量采集器工作原理與將光能轉換為電能的太陽能電池相似。這種通用能量采集器可以采集其他能源的信號，包括衛(wèi)星信號、聲波信號或Wi-Fi信號。研究人員設計了可捕獲微波的電路，用電路板把由玻璃纖維和銅導體組成的5個超材料結構連接在一起，可將微波轉換為7.3V的電能。相比之下，用于小型電子設備的通用串行總線（USB）充電器只有5V電壓。研究目標是利用超材料結構電路實現37%的最高能源效率，堪與太陽能電池相比較。此外，超材料結構電路還可用于其他類型的能量采集，如振動能和聲能。

超材料能量采集器還可以制作到手機上，在閑置時允許手機無線充電。依據此原理，在附近無傳統插座可利用時，手機使用者可以從鄰近的手機信號塔采集能量。

杜克大學的工作驗證了一種簡單而廉價的電磁能量采集方式。設計的奇妙之處在于基本構建塊是獨立、可添加和刪減的。設計者可以簡單地組裝多個模塊以增加捕獲的能量。例如，可以組裝一系列的能量采集模塊，捕捉一組已知的穿越頭頂上空的衛(wèi)星信號。信號所產生的能量可以驅動偏遠地方，如山頂或沙漠的一個傳感器網絡工作。

3.具備隱身功能的超材料[6]

2014年3月31日，美國中佛羅里達大學科學家創(chuàng)造了被稱為超材料的人造納米結構，可以使光彎曲。在一個物體周圍控制和彎曲光線從而使肉眼難以看到物體，這是科幻小說中隱形斗篷的理論依據?，F實中利用超材料制作隱形斗篷還面臨巨大挑戰(zhàn)。此研究可能將克服這一障礙。

因為天然材料不可能將光線彎曲，科學家創(chuàng)建了人造納米結構超材料來完成此重任，在3維空間通過結構操縱、控制電磁響應將實現對光的精確控制。利用此技術可以創(chuàng)建具有所設計的光學特性的更大面積的超材料，以便制造現實可用的器件。比如開發(fā)大面積超材料吸收器，使戰(zhàn)斗機隱身于探測系統，不被雷達發(fā)現。

4.寬帶太赫茲通信用超材料[11]

2014年1月17日，美國能源部艾姆斯（Ames）實驗室的科學家驗證采用超材料可產生寬頻帶太赫茲（THz）電磁波。此發(fā)現將有助于開發(fā)無損成像和傳感技術，使THz速率的信息通信、信息處理和存儲成為可能。

THz電磁波位于電波（如微波和無線電波）和光波（如紅外和紫外波）之間的中間頻帶。利用THz波可以加速電信技術發(fā)展，為理解光子學的基本性質開辟新天地。但是如何有效地產生和探測THz波的相關技術難題限制了其使用范圍。為了應對這些挑戰(zhàn)，艾姆斯實驗室開始嘗試自然材料以外的可能解決方案。因為超材料表現出自然界所不存在的光學和磁學性質，實驗室開始采用人造超材料。

德國理工學院創(chuàng)建了由特殊類型的元原子（Meta-atom）組成的分裂環(huán)諧振器超材料。U形分裂環(huán)諧振器顯示出在THz到紅外光譜內對任何所需頻率波的強磁響應。

從事超快速激光光譜技術研究的艾姆斯實驗室，設計了飛秒激光實驗，證明從單一納米厚度的超材料可發(fā)射THz波。超短激光脈沖與超材料不同尋常的特性相結合，可以使發(fā)射極厚度顯著降低，從而高效率產生寬頻帶THz波。

研究組采用1.5μm通信波長驗證其技術。調整超材料中元原子尺寸便可定制產生THz波。從原理上說，可以將此技術擴展到全部THz頻段。更重要的是，實驗室研發(fā)的超材料THz發(fā)射極僅有40nm厚，而以往傳統發(fā)射極厚度是此超材料發(fā)射極的數千倍。此技術為填補THz技術差距提供了可能的解決方案。方案解決了THz發(fā)射極技術的4個關鍵挑戰(zhàn)：效率、寬帶頻譜、體積小型化尺寸和可調諧性。

5.避免物體被觸摸到的隱形衣[12]

2014年6月，德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）科學家成功創(chuàng)建一個裝置，物體放于其中難以被觸摸到。該研究成果發(fā)表在《自然·通信》雜志上。在過去幾年，科研人員已經開發(fā)出各種各樣的物理隱形衣。例如光學隱形衣使對象難以看到，而其他類型隱形衣可以讓熱或聲音不受影響地穿過。KIT科學家開發(fā)出一個全新的力學隱形衣，它使對象難以觸摸到。

隱形衣由聚合物超材料制成，其特性取決于空間結構。在需要被隱藏的對象周圍建造此結構，結構中力量分布依賴于所處位置。開發(fā)力學隱形衣的最大障礙是將精密組件在一定尺寸內完整排列。此處的超材料是一種亞微米精度結構的晶體材料，由針尖接觸的針形錐體組成。接觸點的大小通過準確計算以獲得所需的力學性能。在此結構中，手指或測量儀器無法感受到結構的存在。

在制備隱形衣時，一支硬圓筒插入到底層。被隱藏的對象置入圓筒腔，如果一個輕質泡沫或多層棉覆蓋于硬筒上方，將很難觸碰到硬筒，但作為一種形式仍然可以感覺到。超材料結構引導觸指的力量使得圓筒完全被隱藏。這就像在安徒生的童話故事《公主和豌豆》中，盡管床墊很厚公主還能夠感覺到床墊下的豌豆。但使用新型超材料，只需要薄薄一層床墊足以讓公主睡得好。

這種力學隱形衣的實現相當復雜。當定義了所需的力學特性后，利用數學方法推導出物理基本方程，以對超材料的結構得出結論。使用此方法可以設計出自然界不存在的材料，例如難以壓動的僵硬固體，但柔軟的可用剪刀剪。超材料由聚合物制備，采用KIT學院的“剝離納米劃痕”（spinoff Nanoscribe）激光直寫法，實現了長度幾個毫米的完整樣本要求精度。

力學隱形衣雖然還在純粹的基礎物理研究階段，但是將會為近幾年的國防應用開辟一條新路。采用這種自由選擇力學特性的超材料，可以研制出隱藏電纜管道的非常輕薄但很舒服的野營墊。

截至目前，圍繞超材料的研究大多屬于理論探討和實驗室樣品研制階段。進一步的研究將會為超材料提供更廣闊的國防電子設備應用空間，比如工作在可見光到紅外甚至更長波段基于超材料結構的石墨烯晶體管、用于可見光成像與太赫茲成像的CMOS數字圖像傳感器、提高增益降低成本的微帶貼片天線、超材料頻選表面制成的衛(wèi)星天線、高效薄膜太陽能電池、光譜檢測分析設備等。根據美國Lux研究機構的預測報告，超材料在未來10年將得到廣泛應用。

參考文獻

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