编号2955超材料的制备应用及发展终结版.docx

编号2955超材料的制备应用及发展终结版.docx

《编号2955超材料的制备应用及发展终结版.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《编号2955超材料的制备应用及发展终结版.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

编号2955超材料的制备应用及发展终结版

姓名：

贾明

专业班级：

精化

（2）班

论文题目：

超材料的制备，应用及发展

指导老师：

罗大为

目录

摘要1

关键词1

1.超材料简介1

1.1超材料的提出1

1.2深圳光启高等理工研究院的最新研制成果2

2.超材料的制备3

2.1传统超材料的制备3

2.2现代超材料的制备4

2.2.1红外可见光波段左手超材料制备4

2.2.2太赫兹波段左手超材料制备7

3.超材料的应用及发展8

3.1“左手材料”及其应用9

3.2光子晶体及其应用9

3.3超材料在电磁波方向的应用10

3.4超材料在其他领域的潜在应用10

3.5超材料发展趋势11

4.结论11

参考文献12

致谢13

超材料的制备，应用及发展

摘要

本文详细的介绍了在近年来运用各种物理机化学方法进行超材料制备的新技术，这些新技术的出现使超材料的制备更加简便、经济和环保，对于深圳光启高等理工研究院在超材料方向的研究成果进行了简要的阐述，并深入的论述了超材料在不同领域的应用及发展现状。

关键词：

超材料制备应用发展

1.超材料简介

1.1超材料的提出

早在1999年美国德克萨斯大学的Rodger.M.Walser教授提出了超材料的概念,超材料（Metaimterial））是一种具有传统材料所不具备的超常物理性质的特种复合材料或人工复合材料，通过在材料关键物理尺度上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能，从而实现定制化电磁功能的需求。

J.C.Chunder在1898年就已经进行了著名的有关螺旋结构手性材料的微波实验,这是关于电磁超材料的最早的实验之一[7]。

随后在1914年,K.F.Lindman将随机方向的小螺旋线嵌入传统材料中,从而成功构造出了人工手性特征材料。

此后,在1948年W.E.Kock周期性组合排列了带状、球状圆、盘状的人造介质,并将其加工制作成了轻质的微波透镜,引起了广泛的轰动。

从此,超材料逐渐引起了国内外学术界的强烈关注。

目前在国内对超材料尚未有一个严格的、权威的定义,因此超材料,也称为左手材料、人工电磁材料、异向介质。

狭义的超材料一般指的是由V.G.Veselago于1968年提出的理论设想⑴即“左手材料”（Left-HandedMaterial,LHM）,LHM

的主要是Veselago根据麦克斯韦方程的积分形式,预测了电磁波同时在具有负磁导率和负介电常数材料中传播时,其具有传播方向相反的相位和能量,并在理论上证实了这一相反电磁特性,当光（或微波）射入到这种材料上时,其折射率为负并且波矢方向与能量传播方向相反,那么波矢量k、电场强度E与磁场强度三者构成左手螺旋关系,故称之为左手材料[4]。

超材料的出现,为经典电磁理论打出了新突破口,为传统的电磁理论开辟了新的研究空间,超材料的潜在的应用前景和巨大科学意义将会对航天航空、国防、雷达、医学成像等领域有着显著的影响。

随着研究人员对超材料探索的日益加深,除了左手材料外,超材料还包括各向异性介质、单负材料、手性介质等。

接下来,我将简要介绍下超材料的基本电磁理论。

1.2深圳光启高等理工研究院的最新研制成果

深圳光启高等理工研究院致力于开创并引领超颖射频（Meta-RF）技术在无线互联、航空航天及智慧社区等领域的革命性应用，为业界提供具有卓越电磁性能的产品、为行业提供革命性的创新技术标准、为用户带来前所未有的信息服务体验。

深圳光启高等理工研究院在全球范围内率先实现了超材料的大规模设计和工程化制造，主要从超材料平板卫星天线、超级WiFi这两个最新的研制成果来谈论深圳光启高等理工研究院在超材料方面的研究进展：

图1.1超材料平板卫星天线

Meta-RF新型卫星通信产品是光启基于超材料与Meta-RF电磁调制创新技术开发的一系列卫通专利产品及解决方案。

采用超材料电磁薄膜设计，卫星通信天线的超材料核心层仅2mm厚，与整机系统综合设计，具有尺寸小、重量轻、易于便携运输等综合优势。

该系列产品的最大特点是对卫星通信电波的灵活调制从而实现产品便携化、共形化等个性化需求。

图1.2地铁上的超级wifi

轨道交通、大型园区等空间里的电磁环境非常复杂，经常会具有若干类似或相同频段的各类电磁波信号。

该方案严格的控制了WiFi信号覆盖的区域和范围，优化了复杂电磁环境中WiFi覆盖的解决方案。

“无线信号强则上网速度快”一直以来是无线WiFi接入的一个误区。

在热点拥挤的情况下，无线信号过强不仅解决不了上网接入的问题，反而会干扰其它热点的正常工作，并且增大了电磁波对人体的辐射。

为此，超级WiFi无线互联解决方案进行了定制化的功率控制优化方案，使辐射功率降低、接入速度提升。

2超材料的制备

2.1传统超材料的制备

1996年Pendry等人制备出的人工介质主要是由金属谐振环（SRR,SpHt-RingResonator）和具有周期性排列的细金属棒（rod）阵列组成,其中薄金杆阵列周期性结构可实现微波频段的等效ε为负,利用周期性金属谐振环（SRR,SpHt-RingResonator）结构实现在微波频段等效μ为负。

在Pendry设计模型的理论基础上，D.R.Smith等人，有规律地排列了金属谐振环板和细金丝板,制作出了等效μ和等效ε同时为负双负人造复合介质,这也足世界上第一块双负材料（见图2.1）[7]。

随后D.R.Smith等人又进行了更深入的研究,并于2001年制作出在X频段等效μ和等效ε同时为负人工左手材料,他们通过实验得出,当电磁波斜入射到常规材料和左手材料的分界表面时,二者分界面法线的同侧同时发现了入射波和折射波,这就著名的“棱镜实验”，这一实验首次证实了人工左手材料的存在。

2003年美国著名杂志《Science》将电磁超材料评选为年度的十大科技进展之一,此后,超材料便引起了电磁学界、物理科学界及其各相关领域的研究热情和广泛关注。

图2.1有负介电常数（ε）和负磁导率（μ）的双负超材料

2.2现代超材料的制备

2.2.1红外可见光波段左手超材料制备

红外可见光波段左手超材料指的是在红外可见光的照射下电常数（ε）和磁导率（μ）均为负，表现出超材料性能的复合材料。

红外和可见光波段左手材料主要采用物理刻蚀方法来制备的。

2005年.等Brueck利用该方法首次制备出了能够在红外可见光区具有超材料性能金属-电介质-金属多层结构的复合材料（见图2.2），使人们想要制备红外可见光波段左手超材料的梦想成为现实。

图2.2金属-电介质-金属多层结构的复合材料的原理图（a），SEM图（b）

但是该方法这种方法工艺复杂、设备昂贵、制备周期长,并且制备样品的尺寸仅仅能达到平方微米量级,因此极大地限制了光波段超材料的应用和研究。

于是2006年赵晓鹏课题组首先提出了一种树枝状结构单元模型来实现左手超材料。

研究结果表明树枝状无序的结构也能产生左手效应,为利用化学电沉积的方法制备光频段左手材料奠定了坚实理论基础。

2008年,Liu等利用化学电沉积无序银树枝结构的方法实现了红外波段的超材料。

化学方法制备超材料经济、简单、高效,可以通过控制实验条件,来实现纳米尺度金属结构的制备,为光波段超材料的研究与应用创造了一种新途径[2]。

2010年，程小超等利用“自下而上”的化学电沉积方法，通过控制沉积电压和沉积时间制备出了不同尺寸的PVA-银-PVA“三层结构”光波段超材料（见图2.3）。

并研究了其光学性质.。

研究表明，样品在600~1750nm波长范围能够出现多个透射峰,并且在透射谱的峰值波长处出现能够平板聚焦效应,表现出了明显的超材料的行为。

图2.3电沉积银的SEM照片

2010年，赵延等在双鱼网左手模型的基础上，利用模板辅助电化学沉积法，以粒径为1000nm、800nm、420nm的二维聚苯乙烯（PS）胶体晶体为模板来制备金属银纳米网格结构，且进一步将其组装为可见光波段的双鱼网结构。

并对其光学性能进行研究，结果表明随着结构周期的减小，金属银纳米网格的透射通带位置便会出现蓝移.并且使用周期是420nm的金属银纳米网格（见图2.4）组装成双鱼网结构，在610nm处出现透射增强和平板聚焦效应[8].假如使用结构周期更小的模板，可能实现更短波长，甚至蓝光波段双鱼网结构的超材料.

图2.4结构周期为420nm的金属银纳米网格的SEM照片（a）低倍；（b）高倍

2011年，范宝林等利用化学镀法和溶剂热合成法制备了形貌如海胆状Ag@TiO2并且经过组合制备了结构为ITOG（G）+PVA+Ag@TiO2+PVA+ITOG（G）的材料。

经过透射性能测试和平板聚焦测试发现，该材料在波长400nm、470nm、590nm处有明显的透射峰，且在波长400nm和590nm处测得了平板聚焦现象。

该方法制备不仅成本低而且设备简单，并且制备的结构单元尺寸较小结构精细，在制备三维结构单元方面具有明显优势。

2013年，尚超红等通过溶剂热法合成了仙人球状Ag/TiO2颗粒,并用γ－甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）对其进行表面修饰，在经过乳液聚合法制备了Ag/TiO2@PMMA（见图2.5）复合材料.光学性能测试显示该材料在可见光波段波长为530nm附近左右出现了单一透射峰，并且在此波长下呈现纳米平板聚焦现象[6]。

图2.5Ag/TiO2@PMMA在不同放大倍数下的投射电镜图

同年，李飒等通过使用一种全新的乳液聚合法，结合自下而上的模板辅助电化学沉积法制备了大面积的有序周期常数为135nm的金属银双渔网材料，该结构结构周期性程度高并且致密有序，在红外可见光波段的透射性能和有效面积都有显著提升。

这种新型乳液聚合法和模板辅助电化学法具有着工艺简单成本低廉的优点便于推广和应用。

2.2.2太赫兹波段左手超材料制备

太赫兹波一般是指振荡频率介于微波和红外辐射之间在0.1-10THz范围内的电磁辐射，是电子学向光子学过渡的区域。

太赫兹波具有很多独特性质,使其在生物化学成像、光谱、短距离无线通讯和传感等方面具有广阔的应用前景。

超材料对入射的太赫兹波具有电磁响应是其应用于各类太赫兹的器件的基础,因而太赫兹谐振器是各种太赫兹器件中最为关键的一种。

太赫兹波段超材料的制备主要采用传统光刻蚀的方法,该技术具有器件特性好、加工精度高等优点[7]。

2004年，Yen等利用该方法制备出了人工符合材料，首先在太赫兹波段实验实现了双开口谐振器（SRR，见图2.6）的磁响应。

次年,Katsarakis等对不同偏振方向下的双开口谐振器结构的磁响应进行了研究,并分析了多谐振峰产生的机理,SRR结构自此开始广泛应用于多谐振器件的研究，开启了人们对太赫兹波段超材料的研究。

图2.6双开口谐振器（SRR）结构图

2009年，RanjanSingh等提出一种基于SRR不同取向的组合来构建新结构的方法，其中MM1和MM4结构均具有较好的双谐振性。

2013年，王文涛等通过实验实现了基于TU组合结构的太赫兹多频的谐振器，分析得知三个谐振峰分别由T结构、U结构以及TU结构之间的间隙分别的对入射波的响应引起的。

3.超材料的应用及发展

超材料使用复合谐振，可以使光在任何方向上弯曲；通过使周围的光改变方向，很有可能覆盖他们视觉以内的空间范围。

超材料是一种定制化的电磁调制材料，因其具有多种特殊的性能，在雷达、隐身、电子对抗等诸多装备技术领域拥有巨大的应用潜力和发展空间。

目前，深圳光启高等理工研究院已发展形成了以超材料技术为基础的隐身、反隐身、超级阵列三大军工产品体系，在特种天线罩、特种天线等领域成功实现了工程化应用。

作为民营高新技术企业，深圳光启高等理工研究院以其在超材料领域的领先技术优势投入到武器装备的升级换代中，参与了多个国防重点项目的预研和研制，是军民融合、创新发展的典范！

超材料的负折射效应和基于该理论制备的隐身斗篷分别在2003年和2006年被美国科学杂志评为年度十大科技突破之一如今数学家已经给出了一幅蓝图，空心光纤内铸入“超材料”制造出有覆层的管道，每个这种管道可以掩盖从平面象素阵列过来的光，可以进行3-D显示[9]。

在3-D中对微小覆层管道的排列，除了发光的一端，从平面象素阵列过来的光可以通过光纤而不被看到，这就好像光是浮在空中一样。

“光通过一个物体的一端，看着它在管道中消失，却在另一端重新看见光”，罗彻斯特大学研究“超材料”的教授Greenleaf介绍说。

超材料的太赫兹谐振器可应用于成像系统与太赫兹光谱技术，在多频滤波器、宽带吸波器、开关调制等方面也有着很大的应用潜力。

3.1“左手材料”及其应用

左手材料具有具有许多独特的性质应用。

以下是几个例子：

（1）电磁波在左手材料中的传播

在左手材料中传播的电磁波与在右手材料中传播的电磁波具有缀不同的性质。

在这类材料中，能量的传输方向与相位的传输方向相反。

（2）透镜现象

由于左手材料具有特殊的折射现象，有人提出了用左手材料设计透镜的思想，这对设计新型的无像差的“完美透镜”无疑是非常有意义的[8]。

左手材料提供了具有超常电磁性质的新型物理系统。

可以预期．这类材料率先获得应用的领域将是信息技术领域。

目前已提出的相关元件微波天线、透镜等。

图3.1左手材料透镜示意图

3.2光子晶体及其应用

目前建立了很多光子晶体的有源和无源光学器件模型，并且已经有部分光子晶体产品。

以下是几个应用的例子[5]。

（1）高效率发光二极管

一般发光二极管发光中心发出的光，光辐射效率很低。

如果将发光二极管的发光中心放入一块特制的光子晶体中，则发光中心发出的光不会进入包围它的光子晶体中，而会沿着特定设计的方向辐射到外面去。

（2）微波天线

传统的微波天线制备方法是将天线直接制各在介质基底上，这样就导致大量的能量被基底所吸收，因而效率很低。

利用光子晶体作为天线的基片，此微波波段落在光子晶体的禁带中。

因此基底不会吸收微波。

这就实现了无损耗全反射，把能量全部发射到空中。

3.3超材料在电磁波方向的应用

超材料还在很多方面对隐身领域的发展起到了非常显著的作用。

例如，Alu和Engheta等提出用超材料作为涂层，利用超材料可以缩减复合球体的总散射面积。

当物体具有非常小的散射面积时，将具有较好的隐身效果[10]。

另一种隐身方法是令涂层复合材料的等效参数与背景介质的材料参数达到匹配，这时涂层复合材料将对电磁波没有干扰，从而也能达到隐身的效果。

图3.2超材料迷你射频滤波器图3.3旋转电磁波极化

图3.4扭曲电磁波-超材料隐身衣

3.4超材料在其他领域的潜在应用

光学超材料所具有的独特的性质，其还是具备了其他常规材料所不具备的巨大的、广泛的潜在应用，包括大量的新型光学器件功能如突破衍射极限的近场及远场成像、二次谐波发生，光学开关、亚波长波导、光学集束与光旋转器件、光学隐身、光学自增益器件、光学检测设备、光学通信与传感器件、光学信息存储器件、光学二极管、谐振器与激光腔、光学相位补偿/共轭器件、纳米光刻、纳米电路/光路等。

这些应用的实现必将对现有技术乃至人类生活的各个方面产生极其深刻的影响[7]。

3.5超材料发展趋势

超材料具备与常规介质不同的特异物理性质，使得它在与国民经济发展有关的各行业诸如工业、农业、医疗卫生、通信、国防等诸多领域存在巨大的潜在的应用前景。

虽然对于超材料的研究已经取得了许多可喜的成就，但其多数研究还处于在理论研究及实验阶段[18]。

对光学超材料领域的研究仍面临着诸多挑战，这同时也是难得的机遇。

4.结论

随着科学技术的日新月异的发展，人们对未知领域的探索逐渐清晰，超材料的合成和应用发展也在进一步加深。

超材料的已经在微波、红外可见波段和太赫兹波段都得到了证实，起各种可能的潜能也正在被研究者们慢慢发觉。

目前，深圳光启高等理工研究院已发展形成了以超材料技术为基础的隐身、反隐身、超级阵列三大军工产品体系，在超材料平板卫星天线、超级WiFi等领域成功实现了工程化应用。

其合成途径也逐渐由以前的光刻蚀到化学合成等手段，方法更加简便，手短更加环保，更加经济适用。

光学超材料研究依然任重道远，作为新兴科研机构，深圳光启高等理工研究院的运作模式创新，组织架构灵活，给予了研究人员更多自由发挥的空间，让真正的创新人才找到创新机构，“让创新DNA自由生长”。

参考文献

[1]尚超红等.仙人球状Ag/TiO2@TAMM超材料的制备与纳米平板聚焦效应[J]．材料导报:

研究篇,2013,27（4）:

1-4

[2]相建凯等.可见光波段超材料的平面聚焦效应[J]．物理学报,2010,59（6）:

4023-4028.

[3]李飒等.一种新型大面积绿光双渔网结构超材料的制备方法[J]．功能材料，2013，44（5）：

756-758.

[4]王睿等.基于极性晶格振动的本征型超常电磁介质[J]．科学通报，56（7）：

504-510.

[5]王玥等.太赫兹波段表面等离子光子学研究进展[J].物理学报，2010，61（13）：

137301.

[6]范宝林等.海胆状Ag@TiO2超材料的制备与平板聚焦效应[J].2011,25（8）:

19-22

[7]程小超等.超材料异质结构楔形光波导引起的光谱空间分离现象[J].科学通报，2010.55（16）：

1626-1631.

[8]赵延等.基于双鱼网结构的可见光波段超材料[J].物理学报，2011，60（5）：

054211.

[9]毕科等.基于铁磁共振的超材料研究进展[J].科学通报，2013，58（19）：

1785-1795.

[10]深圳光启高等理工研究院[J].军民两用技术与产品，2014

致谢

岁月如歌，时光如梭,一转眼即将结束大学的学习生涯。

毕业在即,回顾这几年的学习和生活、导师的谆谆教诲、家人的关心和朋友的支持,在此毕业论文完成之际,深表谢意!

首先，由衷的感谢深圳市光启高等理工研究院的同事们，在我最困难的时候帮助了我，在我迷茫的时候指点了我，在我焦急的时候安慰了我，在我失败的时候鼓励了我。

你们是我迷航时的灯塔，照亮了我航行的路，回顾这几年的工作生后，各种往事历历在目，是你们让我有勇气面对未知的挑战，万分感谢。

其次在本文的撰写过程中，罗大为老师作为我的指导老师，他治学严谨，学识渊博，视野广阔，为我营造了一种良好的学术氛围。

置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了明确的学术目标，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。

其严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨。

正是由于他在百忙之中多次审阅全文，对细节进行修改，并为本文的撰写提供了许多中肯而且宝贵的意见，本文才得以成型。