超材料的研究進展與應(yīng)用

□張文毓

中國船舶重工集團公司 第七二五研究所 河南洛陽 471023

1 超材料概述

超材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料，廣義的超材料包括光子晶體、左手材料、超磁材料等。光子晶體（PC）是具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。左手材料（LHM）是一類在一定頻段下同時具有負磁導率和負介電常數(shù)的材料。超磁材料是利用軟磁鐵氧體的高磁化強度和硬磁鐵氧體的高矯頑場特性的相互作用和耦合，進而獲得具有高磁能積的磁性材料。除此之外，其它一些具有特殊人工結(jié)構(gòu)的材料，也屬于超材料的范疇，像電磁晶體、頻率選擇表面、人工磁導體、基于傳輸線結(jié)構(gòu)的超材料、等離子體結(jié)構(gòu)的超材料等。因此，可以理解為超材料的形成是人們通過各種層次的有序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對種種物理量的調(diào)制，從而獲得自然界中在該層次上塊體材料所不具備的物理性質(zhì)[1]。

超材料特殊的物理性能往往來自于它的特殊結(jié)構(gòu)，因而人工設(shè)計制備不同的超材料結(jié)構(gòu)成為該領(lǐng)域研究的重要方向。超材料的制備技術(shù)包括自組裝技術(shù)、刻蝕技術(shù)和沉積技術(shù)，隨著微加工技術(shù)的不斷進步及三維打印技術(shù)的發(fā)展，三維打印技術(shù)也成為超材料制備的新途徑。

目前應(yīng)用較多的超材料制作技術(shù)可分為光刻類技術(shù)和印刷類技術(shù)。另外還有以電子束直寫（EBDW）、蘸筆印刷（DPN）、聚焦離子束（FIB）等為代表的直寫類技術(shù)也可以用來制備超材料[2]。

超材料可用于功能性器件的開發(fā)，如納米波導及有特殊要求的波束引導元件、表面等離子體光子芯片、亞波長光學數(shù)據(jù)存儲、新型光源、超衍射極限高分辨成像、納米光刻蝕、生物傳感器及探測器的應(yīng)用和軍用隱身材料等。

2 國內(nèi)外超材料研究現(xiàn)狀

2.1 國外超材料研究現(xiàn)狀

超材料的概念最早由俄羅斯科學家Veselago在1968年提出。超材料領(lǐng)域研究中處于領(lǐng)先地位的國家和地區(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(yīng)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[3]。

超材料是一個新興的重點發(fā)展領(lǐng)域，得到美國、歐洲等發(fā)達國家的重視和支持。美國國防部長辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一，美國國防高級研究計劃局（DARPA）把超材料定義為“強力推進增長領(lǐng)域”，美國空軍科學研究辦公室把超材料列入“十大關(guān)鍵領(lǐng)域”。2015年，美國國防高級研究計劃局在超材料領(lǐng)域的投資增長了75%。

當前，超材料主要的研究方向集中在以下幾方面：①新型超材料及其功能的設(shè)計、性能優(yōu)化及相關(guān)仿真方法；②在器件制造方面，由于受亞波長特征尺寸的限制，在光頻波段進行器件制作需要高技術(shù)水平；③相互作用研究方面，由于超材料的大多數(shù)性質(zhì)都與表面/界面波有關(guān)，進一步探索這種近場波與自由空間電磁波的耦合，以及其材料內(nèi)部的傳播性質(zhì)，需要不斷更新理論概念、分析方法和實驗測量等技術(shù)[4]。

左手材料也被稱為雙負媒質(zhì)或者負折射率物質(zhì)，左手材料具有介電常數(shù)與磁導率同時為負值的電磁特性，這與自然界中的大多數(shù)材料有著直接的差異。2001年，美國麻省理工學院的科研人員首次制備出在微波波段同時具有負介電常數(shù)和負磁導率的材料，并通過實驗觀察到了負折射現(xiàn)象。左手材料由此引起了科學界的濃厚興趣，對其基本理論和實驗的研究正不斷完善，已成為近年來物理學和電磁學領(lǐng)域的研究熱點。

近年來，具有納米尺寸的光子晶體超材料已經(jīng)發(fā)展成為科技工作者研究的焦點。光子晶體是指具有光子帶隙（PBG）特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，有時也稱為PBG晶體結(jié)構(gòu)。它是由電子學上的概念類比得出的。在固體物理學的研究中，晶體中呈周期性排列的原子產(chǎn)生的周期性電勢場會對其中電子有特殊的約束作用。在介電常數(shù)周期性分布的介質(zhì)中，電磁波的一些頻率是被禁止的，光子晶體也類似。通常，這些被禁止的頻率區(qū)間為光子帶隙，也稱光子頻率禁帶，將具有“光子頻率禁帶”的材料稱作為光子晶體。

電磁超材料也稱為新型人工電磁材料、新型人工電磁媒質(zhì)、特異媒質(zhì)，是通過人工方式加工或合成的、具有周期或準周期結(jié)構(gòu)以及特異電磁性質(zhì)的復合材料，興起于二十一世紀初。超材料具有三個重要特征：①具有特殊人工結(jié)構(gòu)；②具有超常物理性質(zhì)；③電磁性質(zhì)往往主要取決于材料的人工結(jié)構(gòu)。

目前，美歐軍方看好超材料有可能在隱身技術(shù)、武器裝備中微波器件小型化和小型高效天線上實現(xiàn)突破，這對提高通信和電子戰(zhàn)能力尤為重要，因此積極支持超材料相關(guān)的基礎(chǔ)和預研研究[5]。

2.2 國內(nèi)超材料研究現(xiàn)狀

隨著中國“十三五”規(guī)劃綱要的實施，超材料已被列為當前應(yīng)大力發(fā)展的領(lǐng)域。超材料技術(shù)將推動中國尖端裝備的前沿研究和實際應(yīng)用，將對這些領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性的影響。中國超材料研究開始進入一個全面躍升的重要時期，正處于由突破性研究成果向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵階段。

在短短的幾年內(nèi)，研究人員在各種超材料中已觀察到許多奇特的電磁性質(zhì)（從光頻到微波），比如左手材料、隱身斗篷、電磁黑洞、透射增強材料等。我國相關(guān)機構(gòu)也在積極開展超材料技術(shù)的研發(fā)工作。國家自然科學基金、國家973計劃、國家預研技術(shù)等均在超材料的基礎(chǔ)研究方面給予了一定支持。目前，我國在超材料的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域已積累了一批有影響的研究成果，形成了在國際上有一定影響的研究隊伍。其大體上可劃分為以清華大學、中國科學院物理研究所等為代表的北方集團，以東南大學、浙江大學、復旦大學、南京大學等為代表的華東集團，以深圳光啟高等理工研究院所代表的華南集團?？傮w上來看，國內(nèi)進行的超材料基礎(chǔ)研究總體水平與國外的差距相對較小，在試驗研究、材料制備與器件化研究的廣度和技術(shù)水平等方面差距相對較大。

2.3 超材料研究進展

超材料在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)兩方面有相當好的研究基礎(chǔ)。超材料的優(yōu)勢在于突破傳統(tǒng)材料的束縛，構(gòu)造出功能新穎且現(xiàn)有技術(shù)又更易制備的電磁功能結(jié)構(gòu)?？v觀其發(fā)展歷程，超材料一直在向著高應(yīng)用性的方向發(fā)展。應(yīng)用領(lǐng)域從微波到紅外再到光波段，不斷擴展適用頻段。制造工藝從印刷電路板工藝、機械加工工藝到三維打印和微納制造，既可以加工毫米級大尺寸超材料，亦可以加工納米級高精度超材料。結(jié)構(gòu)功能涉及電磁波調(diào)控、傳輸、吸收、能量轉(zhuǎn)化等諸多方面，展現(xiàn)出了強大的電磁調(diào)控能力。展望未來，跨尺度、多材料的超材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)將引領(lǐng)未來超材料的發(fā)展方向，而具有復雜結(jié)構(gòu)一體化制造能力的三維、四維打印技術(shù)將成為超材料結(jié)構(gòu)制造的核心技術(shù)[6]。

超材料所涉及的內(nèi)容很廣泛，包括一些光學超材料、聲學超材料（與彈性振動波相應(yīng)，用于操縱和利用聲子傳播）、力學超材料（吸聲介質(zhì)，超黏滯材料）、熱學超材料（調(diào)控熱能的傳輸與轉(zhuǎn)換）、聲子晶體（超高精度控制單個聲子，進而對動態(tài)溫差調(diào)控）等。

根據(jù)微結(jié)構(gòu)單元類型和應(yīng)用范圍的不同，超材料的關(guān)鍵技術(shù)可分為以下六大重點方向。

（1）電磁超材料。電磁超材料包括數(shù)字可編程超材料、計算超材料、光開關(guān)超材料。這類超材料利用其微結(jié)構(gòu)單元類似于計算機的0、1開關(guān)屬性，進行非周期陣列，以實現(xiàn)編程可控的響應(yīng)輸出。電磁超材料預期在車載雷達掃描系統(tǒng)、移動通信天線、電動機用新型磁性材料和電磁兼容中所使用的高性能吸收與屏蔽材料領(lǐng)域獲得推廣。新型的頻率不敏感左右手復合漏波掃描天線具有寬波束掃描、高增益和易生產(chǎn)的優(yōu)勢。此外，LED頭燈和紅外成像夜視系統(tǒng)也是超材料的應(yīng)用研究方向。

（2）機械超材料。機械超材料源于聲學超材料彈性波的傳播行為過程中。按所調(diào)控的彈性模量不同可分為：超強超硬超材料、可調(diào)節(jié)剛度超材料、負壓縮性超材料、反脹及拉脹超材料、智能超流體。

（3）熱學超材料。熱學超材料是近年來才提出的新型熱能利用和調(diào)控的超材料。自然界中的傳統(tǒng)材料，其熱導系數(shù)在空間均勻分布，熱量從溫度高的一端直線流向溫度低的一端，這是人們所熟知的熱傳導模式。然而，如果能實現(xiàn)空間熱導系數(shù)的非均勻分布，通過對宏觀熱擴散方程的空間變化，則可以實現(xiàn)對熱流方向的調(diào)控作用。這種通過人工改造而實現(xiàn)熱導系數(shù)非均勻分布的材料被稱為熱學超材料。熱學超材料是可感知外部熱源、主動響應(yīng)的人工復合材料與結(jié)構(gòu)，潛在應(yīng)用于微納米結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換。一般可分為兩大類：控制熱流和利用熱能；用聲子進行信息傳輸和處理。熱學超材料正在被研究用于控制熱量的定向輻射。

（4）耦合超材料與隱身技術(shù)?，F(xiàn)有隱身技術(shù)是通過減小作戰(zhàn)平臺對入射電磁波或聲波的散射截面進行隱身，而超材料則不再是反射或吸收波，而是改變波的傳播路線，使波發(fā)生彎曲，以達到繞射傳播的目的，從而實現(xiàn)隱身。因為極少有能量產(chǎn)生后向散射，超材料可以達到最佳的隱身效果。在衛(wèi)星通信行業(yè)，借助智能電磁耦合超材料，采取全息技術(shù)實現(xiàn)對目標衛(wèi)星的動態(tài)電子掃描對準。

（5）新型傳感型超材料與智能蒙皮。超材料的奇異性能在蒙皮技術(shù)領(lǐng)域得到快速拓展，在傳感器技術(shù)領(lǐng)域已具有相關(guān)技術(shù)儲備。

（6）超材料制備與基因工程。在超材料新型設(shè)計與仿真中，大量的軟件用于超材料的設(shè)計和計算。但是每個軟件都有其局限性，只能用于某些特殊條件下的計算。同時，對于不同學科的超材料進行研究，材料的制備、表征和測量等實驗技術(shù)相差很大。針對以上超材料發(fā)展的狀況，很有必要將超材料納入材料基因組計劃，從而建成完整的超材料高通量的實驗平臺，為超材料的理論分析和計算提供實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)，并為超材料的應(yīng)用開發(fā)提供數(shù)據(jù)和資料。這將大大加快超材料從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用研究轉(zhuǎn)化的速度[7]。

3 超材料的應(yīng)用

目前超材料可以應(yīng)用于電磁領(lǐng)域、光學領(lǐng)域、聲學理論、熱學理論，行業(yè)包括通信行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、航空航天行業(yè)、軍工行業(yè)、集成電路板（IC）行業(yè)，例如紅外線雷達、吸波材料、紡織涂層等等，超材料還有很大的發(fā)展空間。從電磁也就是微結(jié)構(gòu)的角度對超材料進行理解，再向電磁波進行推廣，可以衍生出編碼超材料、數(shù)字超材料和可編程超材料。從航天工程實踐等出發(fā)，目前進行的研究有有序微結(jié)構(gòu)，包括填充材料的光晶體，當填充不同材料后，光晶體有了很多靈活性，加入電場調(diào)控，這樣就可以做成人們想要的材料。航天領(lǐng)域的探索還包括具有激光防護作用的智能熱控材料。光子晶體在紅外波段同時具有高反射率和高輻射率，可作為高超聲速飛行器的隔熱材料。超材料在通信、隱身領(lǐng)域也有很多重要的工程應(yīng)用。這里面主要包括了隱身和電磁波的波數(shù)匯聚方面的技術(shù)，在實物方面則體現(xiàn)為天線、隱身裝備等。以陶瓷基為基礎(chǔ)的超材料的研究目前也有了一定進展，其發(fā)展方向主要是提高材料的強韌性，實現(xiàn)納米吸波界面的效應(yīng)，制造出抗氧化、強韌、寬頻吸波型陶瓷基復合材料[8]。

超常的物理特性使得超材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其應(yīng)用范圍涵蓋了工業(yè)、軍事、生活等各個方面。尤其是電磁超材料，對將來的通信、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)生深遠的影響。

超材料可以實現(xiàn)那些傳統(tǒng)材料很難，或是不可能實現(xiàn)的電磁特性，可以獲得普通材料沒有的物理性質(zhì)，如左手特性、逆多普勒效應(yīng)、逆折射效應(yīng)、逆Cherenkov效應(yīng)、完美透鏡效應(yīng)、逆Goos－Hnchen位移等。在這些基礎(chǔ)上，人們發(fā)現(xiàn)了超材料廣闊的應(yīng)用前景，如超分辨成像、小型化天線、電磁波隱形、電磁吸波體、高靈敏探測器等。

3.1 超材料在電子元件中的應(yīng)用

3.1.1 基于左手材料的新型微波器件

左手材料是近年來新發(fā)現(xiàn)的某些物理特性完全不同于常規(guī)材料的新材料，在電磁波某些頻段能產(chǎn)生負介電常數(shù)和負磁導率，導致電磁波的傳播方向與能量的傳播方向相反，產(chǎn)生逆多普勒效應(yīng)、逆折射效應(yīng)、逆Cerenkov效應(yīng)以及“完美透鏡”等奇特的電磁特性。這些特性可望在信息技術(shù)、軍事技術(shù)等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。左手材料的這些特性使其在微波領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1.2 隱身斗篷與新型抗電磁干擾器件

隱身斗篷的基本原理是：通過在物體表面包覆一層具有特殊設(shè)計的，具有一定介電常數(shù)和磁導率分布的材料，這樣入射光或電磁波將被彎曲，并且繞過包覆層，從而出現(xiàn)隱身人的效果。通俗地講，身穿隱身斗篷的人就好像在空間中挖開了一個洞，任何光和電磁波將直接穿透這個洞，從而不會看到斗篷中隱藏的物質(zhì)。任何電磁信號都可以更為有效地繞開干擾和阻隔，從而保持信號的完整性。因此，隱身斗篷在抗電磁干擾器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1.3 光子晶體光纖與光子晶體天線

光子晶體為各類無源光電器件的制備提供了理想的材料。已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的光子晶體光纖是目前應(yīng)用最廣的光子晶體產(chǎn)品。另一個典型例子是微波帶隙天線。傳統(tǒng)的微波帶隙天線制備方法是將天線直接制備在介質(zhì)基底上，這樣就導致大量能量被基底所吸收，因而效率很低。例如，對一般用砷化鎵介質(zhì)作基底的天線反射器，98%的能量完全損耗在基底中，僅2%能量被發(fā)射出去，同時造成基底發(fā)熱。利用光子晶體作為天線的基底，此微波波段處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)射到空中[9]。

3.2 超分辨成像

2000年，Pendry提出利用負折射率材料可以克服傳統(tǒng)光學成像所遇到的繞射極限問題，使在成像面上原本的不可解析變成可解析，并對此觀點進行了數(shù)值模擬。在此理論基礎(chǔ)上，F(xiàn)ang等于2005年設(shè)計了一種銀膜超級透鏡，利用波長365 nm的光源分辨出了60 nm的線寬，實現(xiàn)了λ/6的分辨率。2014年，崔鐵軍課題組發(fā)明了一種基于超材料的折射率梯度平板圓柱形結(jié)構(gòu)聚焦透鏡，將超材料在超分辨成像中的應(yīng)用推向了一個新高度。2015年，史紹蕊等利用超材料單元通過三維打印的方法制作了一種龍伯透鏡反射器。

3.3 超材料在導彈裝備領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.3.1 天線領(lǐng)域

隨著雷達、通信等裝備在導彈領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷增加，作為關(guān)鍵部件的天線，尤其是有源相控陣天線技術(shù)的發(fā)展變得更加重要。超材料以其奇特的電磁特性，在天線設(shè)計領(lǐng)域引發(fā)重大技術(shù)革新。雷達天線是超材料特種技術(shù)的主要應(yīng)用方向之一，應(yīng)用方式是以超材料替代傳統(tǒng)拋物面天線的反射面和設(shè)計共形天線等新型態(tài)雷達天線。

3.3.2 無源器件領(lǐng)域

超材料可廣泛應(yīng)用于各類微波、光學器件和天線，如微波平板聚焦透鏡、濾波器、耦合器、移相器、功分器、反相波導器件、放大器、諧振器等。這些器件可廣泛應(yīng)用于各種武器裝備中，如可見光波段超材料能夠制作出突破衍射極限的透鏡，也能夠制造出超靈敏單分子探測器，用以探測各種深埋于地下的武器。

此外，光子晶體在光纖、微波天線、超棱鏡等方面也都有應(yīng)用。這些新型光子晶體器件是大規(guī)模集成光路的基礎(chǔ)，目前的研究已經(jīng)開始向光子器件集成方向推進，這必將對人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生深遠的影響。

3.3.3 天線罩設(shè)計領(lǐng)域

有試驗提到將左手材料平面天線罩和阿基米德螺旋天線結(jié)合起來進行測試，平面天線罩加入左手材料后，天線的波束得到匯聚，增益大約提高了5 dB。因此可以把超材料應(yīng)用在雷達、通信等系統(tǒng)的天線罩上，在不改變天線罩外形的同時，可提高天線增益和方向性。

3.3.4 電磁兼容設(shè)計領(lǐng)域

隨著導彈制導系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的發(fā)展，電磁兼容問題也逐步成為導彈裝備設(shè)計中的一個重要問題。超材料在電路中可以提高電子設(shè)備的電磁兼容性，實現(xiàn)了電路各部件間的去耦合，如抑制放大器的諧波影響，抑制高速數(shù)字信號線間的串擾等。

3.3.5 隱身設(shè)計領(lǐng)域

2006年，美國《科學》雜志報道了微波隱身衣，這一隱身衣的原理就是利用超材料獲得特定分布的折射率，實現(xiàn)了對電磁波傳播方向的控制。光學和紅外隱身同樣是隱身領(lǐng)域的重要技術(shù)。隨著探測手段的豐富，光學和紅外探測也成為一種重要的預警探測手段，那么紅外隱身技術(shù)對導彈裝備就顯得非常重要了。由于光學的全頻段隱身目前還難以做到，隨著研究的不斷深入，超材料的應(yīng)用將會向更高頻段延伸[10]。

超材料未來的發(fā)展方向如下：①對超材料的工作頻段和方向控制的研究；②超材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展；③新型超材料及其功能的設(shè)計、性能優(yōu)化及相關(guān)仿真方法；④不同超材料之間相互作用的研究。

4 結(jié)束語

超材料不但顛覆了人們長久以來的思維定勢，還極大地拓展了物質(zhì)屬性或材料參數(shù)的可設(shè)計域，這無論是對于力學的結(jié)構(gòu)設(shè)計，還是對于其它學科的發(fā)展都具有極其重要的意義。

[1]王霞，張冉冉，呂浩，等.超材料的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J].青島科技大學學報（自然科學版），2016，37（2）：119-126.

[2]杜云峰，姜交來，廖俊生.超材料的應(yīng)用及制備技術(shù)研究進展[J].材料導報，2016，30（5）：115-121.

[3]江洪，王微，許露.超材料研究及應(yīng)用發(fā)展趨勢[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2014（9）：9-11.

[4]王總，朱文君，唐玲.超材料技術(shù)發(fā)展概覽[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2012（7）：27-29.

[5]馮一軍，朱博，徐培華，等.電磁超材料在微波吸波材料中的應(yīng)用探索[J].中國材料進展，2013，32（8）：473-480.

[6]田小永，尹麗仙，李滌塵.三維超材料制造技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢[J].光電工程，2017，44（1）：69-77.

[7]于相龍，周濟.智能超材料研究與進展[J].材料工程，2016，44（7）：119-128.

[8]田恬.超材料：科技突破新機遇[J].科技導報，2016，34（18）：79-80.

[9]周濟.超材料（metamaterials）在電子元件中的應(yīng)用[J].電子元件與材料，2008，27（9）：1-4.

[10]劉春義，馮拓宇.超材料及其在導彈裝備領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].飛航導彈，2013（3）：81-85.