超材料技术发展概览

超材料技术发展概览深圳光启高等理工研究院王总朱文君唐玲
超材料是由周期性或非周期性人造微结构排列而成的人工复合材料，核心思想是通过复杂的人造微结构设计与加工，实现人造“原子”对电磁场或者声纳的响应，核心理论之一即为描述电磁波传播轨迹与超材料特性的变换光学。

超材料技术是一个前沿性交叉科技，所涉及的技术领域包括电磁、微波、太赫兹、光子、先进的工程设计体系、通信、半导体等。

超材料的特性可应用于功能性器件的开发，如纳米波导、特殊要求的波束引导元件、表面等离子体光子芯片，滤波器、耦合器、调制器和开关，亚波长光学数据存储、新型光源、超衍射极限高分辨成像、纳米光刻蚀术、生物传感器、探测器的应用及军用隐身材料等。

目前，超材料主要集中于被动无源器件的实验室研究，主动（有源）器件的实验室研究较少。

国内外超材料的研究进展
超材料最初被称为左手材料（LHM）或负折射材料（NIM），是由前苏联理论物理学家Veselago在1968年最先提出的。

他从Maxwell方程出发，分析了电磁波在拥有负磁导率和负介电常数材料中传播的情况，对电磁波在其中传输时表现出的电磁特性进行了阐述：电磁波在其中传播时，相速和群速的方向相反，E、H、K三矢量之间呈现出左手螺旋法则，与电磁波在传统材料中传播的情况正好相反，他定义该种材料为LHM。

当时自然界观察不到这种材料的存在，且存在不可利用性，Veslago所做的工作仅停留在理论假说上。

此后，随着研究的逐渐深入，众多突破性成果不断涌现。

1999年，英国帝国理工大学的John Pendry教授采用由2个开口的薄铜环内外相套而成的微结构胞元，设计出一种具有磁响应的周期结构，即开口谐振环（Split Ring Resonator，SRR）结构。

2001年，美国加州大学的Shelby 等人将铜线与开口铜环2种微结构单元组合在一起，并通过结构尺寸上的设计保证介电常数和
磁导率出现负值的频段
相同，首次将介电常数
和磁导率同时表现出负
值的材料展现在人们面
前，并在美国《科学》
杂志上发表了验证左手
材料存在的实验性文
章。

这种新型复合材料
的人工实现，极大地丰富了微波、电路、光学、材
料学等领域，其表现出的新颖电磁响应特性立刻成
为国际物理学界和电磁学界研究的热点。

在一、二维左手材料相继实现后，Gay-Balmaz
等人在SRR结构的基础上，采用具有平面各向同性
的单元结构设计出了如图（a）所示的结构，成功制
备在2个方向上都可以表现出负磁导率的单负值超材料。

Koschny等人采用图（b）所示的微结构设计，
成功制备了实现各向同性的左手材料。

开口谐振环
Shelby等人制备的左手材料
（a）平面各向同性磁谐振结构单元
（b）各向同性左手材料结构单元
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2003年，美国波音公司“幻影工作室”的C. Parazzoli 与加拿大多伦多大学的2组研究人员在实验中直接观测到了负折射现象；2006年，John Pendry 教授和美国杜克大学
的Smith D R 教授等人共同
提出了超材料薄层能够让光线绕过物体从而使物体隐形的预测，并展示了隐形斗篷的雏形；2009年，我国东南大学崔铁军与美国杜克大学刘若鹏等人合作在“隐身衣”研究上实现新的突破，研制出微波段地面目标的二维宽频带隐身衣；2010年，崔铁军研究组和一个德国－英国研究组相互独立地在世界上首次研制出三维隐身衣原型；2011年2月，英国伯明翰大学及加州大学伯克利分校的张翔课题组成功实现了可见光波段中的隐身；2011年7月，美国哥伦比亚大学机械工程系副教授王琪薇等人研制出了一种新的光纳米结构，构建出零折射率“超材料”。

超材料技术突破性的进展在科技界引起了广泛关注。

2003年研发的“负折射率左手材料”与2006年研发的“超材料隐身斗篷”被《科学》杂志评为“世界十大科技突破”；2007年《Materials Today 》评选超材料为材料科学领域在过去50年间的十大进展之一；2010年《科学》杂志评选超材料为过去10年中人类最重大的十大科技突破之一。

国内外超材料的发展趋势
近年来，作为具有国家战略意义的新兴产业，超材料的研究开发得到了发达国家政府、学术界、产业界和军事界的高度重视。

欧美国家的研究机构与政府先后投入了大量人力、物力与财力开展超材料的研发。

在2000年底，美国国防部“国防高级研究计划署”——DARPA （Defense Advanced Research Projects Agency ）重点提出关于超材料的研究计划，旨在联合美国大学和研究结构的研究优势对超材料技术进行攻关；欧盟联合协调项目METAMORPHOSE （MetaMaterials Organized for
radio ，millimeterwave ，and Photonic Superlattice Engineering ）主要是由24个欧洲大学参与研究新型超材料，目前该项目已经进入第二阶段。

随着超材料技术不断创新，超材料的可设计复杂度呈现指数型增长。

从2001年的1种人工原子设计到2009年的6000种人工原子设计，下一阶段将进行的百万量级人工原子设计，为超材料技术的广泛应用奠定了基础。

当前，美国波音公司、日本丰田公司、韩国LG 电子公司、美国雷神导弹公司等世界级跨国公司正着力推动超材料技术的产业化进程，积极抢占超材料市场份额。

当前，超材料主要的研究方向集中在（1）新型超材料及其功能的设计、性能优化及相关模拟仿真方法；（2）器件的制造：由于亚波长特征尺寸的限制，在光频波段进行器件制作需要高技术水平；（3）相互作用的研究：由于超材料的大多数性质都与表面/界面波有关，进一步探索这种近场波与自由空间电磁波的耦合，以及其材料内部的传播性质，需要不断更新理论概念、分析方法和实验测量技术等方面。

在短短的几年内，研究人员在各种超材料中已观察到许多奇特的电磁性质（从光频到微波），比如“左手材料”、“隐身斗篷”、“电磁黑洞”、透射增强材料等。

我国相关机构也在积极开展超材料技术的研发工作。

国家自然科学基金、国家973计划、国家预研技术等均在超材料的基础研究方面给予了一定支持。

目前，我国在超材料的基础研究领域已积累了一批有影响的研究成果，形成了在国际上有一定影响的研究队伍。

其大体上可划分为以清华大学、中国科学院物理研究所等为代表的北方集团，以东南大学、浙江大学、复旦大学、南京大学等为代表的华东集团，以深圳光启高等理工研究院所代表的华南集团。

总体上来看，国内进行的超材料基础研究总体水平与国
超材料使隐身斗篷成为可能
电磁黑洞捕捉电磁波，引导电磁波 螺旋式行进，直至被吸收
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外的差距相对较小，在实验研究、材料制备与器件化研究的广度和技术水平等方面差距相对较大。

在过去的20年里，人们已经致力于向复合材料中融入传感功能。

领军的国家和地区主要是美国和欧洲，这一领域的研究目前是美国和欧洲国家重点资助的研究主题之一。

迄今为止，复合智能超材料领域的一些工作主要集中在各种不同传感器和器件的集成可行性研究上。

这些研究包括了评价传感器作为复合材料有机组成部分的耐久性，以及量化集成器件中材料的强度和疲劳寿命。

但亟待研究的方面太多，例如很少研究在复合材料中嵌入传感器系统网络进行应用，尚未将目前集成传感芯片领域内的成果引入复合智能材料领域进行开发，从而导致材料无法进行复杂的感知功能；同时，国际上对于低能耗微型集成传感芯片的研发也在持续发展中。

超材料的国防应用
因为超材料具有的特殊电磁性能，其在雷达、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；超材料技术是一项在国防领域有着广泛应用前景、影响深远的共性技术，在某些领域更具备战略性重大突破的可能。

目前，通过以深圳光启高等理工研究院为代表的科研团队的探索，超材料在国防科技应用方面存在三大特色方向：
超材料特种天线技术。

雷达天线是超材料特种技术的主要应用方向之一，应用方式是将超材料替代传统抛物面天线的反射面和设计共形天线等新型态雷达天线。

超材料的技术特点主要包括电磁特性和物理特性两个方面。

在电磁特性方面，通过对超材料内部空间各项电磁参数的设计，可实现电波传播方向调整、波束赋形、极化旋转、电磁透明等功能。

与传统的抛物面天线相比，超材料天线可以对天线口径场进行精确设计，使天线具有接近理想口径分布时的方向图特性；通过超材料天线的不同设计，其工作频率范围可适应多种雷达工作频段；天线可实现低副瓣设计；极化设计灵活。

在物理特性方面，与传统的反射面天线相比，超材料天线具有密度小、厚度薄等特点，在同等电性能条件下，可较大幅度地降低雷达天线的重量和口径；从天线形式上看，超材料天线通过微结构电参数设计实现波束赋形，便于采用平板形式或与装载载体共形设计，天线可拼装、折叠，维修性好，同时便于架设和撤收；随着工程化技术的深入研
究，超材料天线的刚强度、抗腐蚀、温湿度等特性也逐渐可以满足雷达工作环境的要求。

超材料特种天线罩技术。

由于天线罩的存在，电磁波需要穿透天线罩才能被雷达天线所接收。

电磁波由于阻抗不同而在它们的分界面上发生反射，从而会造成电磁波能量的损耗。

对于雷达天线来说，电磁波穿透天线罩时至少会发生2次反射，严重地影响雷达天线接收的信号的质量。

尽管制造天线罩的材料一般都是反射较少的透波材料，但要在增加天线罩的厚度以使其满足耐压性能的同时，无疑会降低天线罩的透波率，从而影响雷达天线接收电磁波。

基于超材料概念开发的天线罩、滤波罩、雷达罩，不仅可以满足系统对机械性能的要求，并且保证了电磁波能量的有效透射率，可以用于雷达天线和通信天线的外罩，以将天线置于其内保护起来，防止恶劣环境对天线工作状态的影响与干扰。

超材料隐身技术。

隐身技术是现代军事中具有巨大战术价值和战略威慑作用的一项技术。

目前隐身技术主要有两大方向：外形改变和吸波材料。

然而外形改变的缺陷是严重损失了飞机等装备的动力学性能，吸波材料的缺陷是应用环境局限性大、维护成本高。

以超材料技术为基础，产生了一种全新的给予超材料的隐身蒙皮技术。

隐身蒙皮将电磁隐身性能的超材料技术与具有常规机械、物理性能的蒙皮技术融合为一，充分发挥各自的优势。

隐身蒙皮可以完全取代现有装备的蒙皮，在不改变现有装备外形特征和不影响现有装备动力学性能的情况下，使得装备具有隐身性能。

目前，深圳光启高等理工研究院掌握的超材料隐身蒙皮技术在电性能上已经接近甚至超越国内同行业的龙头单位，在机械和其它物理性能上也正开展大量研究与合作，以加快该技术的工程化应用。

深圳光启高等理工研究院RF 天线应用模拟平台。