左手材料研究现状综述

左手材料研究现状综述背景左手材料(Left-Handed Metamaterials)是一种人工合成的电磁材料，介电常数ε和磁导率μ在一定的电磁波频段内同时为负，由于它能够产生自然界并不存在的奇特电磁响应，对其结构设计以及应用等方面的研究引起了国内外学者的广泛兴趣。

这种本构参数双负的材料表现出左手定则(电场、磁场和波矢构成左手螺旋关系)，后向波特性，逆Doppler 效应，逆Cerenkov 效应，逆Goos-Hanchen 位移效应以及负折射等多种“异向”现象。

随着研究的逐步深入，左手材料被运用在很多方面，如可以实现“超级透镜”(superlens)、电磁隐身、高增益高定向性天线、小型化滤波器、功率分配器、同向双工器等，它是材料科学、材料工艺、电磁理论、微波、天线和光学工程以及先进测量等一系列学科的交叉和融合，具有广阔的应用前景。

从1968 年，Veselago预言了左手材料中反常电磁特性的存在，直到2000 年，Smith 等人将金属细线和开口谐振环(SRR)合理布局制造出人工左手材料并于2001 年实验证实了该媒质中的负折射现象，2003 年，美国《Science》杂志将左手材料评为十大技术突破之一。

人们对微波、太赫兹、红外甚至可见光波段左手材料的理论、设计、实验和应用研究迅速开展起来并在多个方面取得了很大的成果。

国内外对左手材料的研究和探索主要有结构设计与制备、物理效应的研究、物理机理的研究以及实际应用的研究。

但左手材料结构设计与制备一直是科学家关注的焦点问题，研究的频率范围由微波频段、太赫兹频段扩展到红外可见光频段。

微波频段研究现状自Smith 等首次制作出左手材料以来，研究者设计出了各种不同金属结构的左手材料，如金属短线线对结构，S 型结构，型结构Ω，H 型结构，树枝状结构，渔网结构等。

这类基于金属结构的左手材料利用金属结构的电谐振和磁谐振来实现负介电常数和负磁导率，在谐振时金属本身的损耗比较大，再加上介质衬底的损耗，这类左手材料损耗往往比较高。

对金属结构的结构参数变化比较敏感，必须对结构参数进行精细的调节才能使电谐振和磁谐振重合，直接导致了这类左手材料的谐振频率可调性差，带宽窄，难以扩展为三维各向同性左手材料。

另一类基于电介质结构的左手材料，如立方电介质结构、蝶形电介质结构、长方形电介质结构、球形电介质结构、圆柱形电介质结构等。

这类左手材料减少了金属的使用量，降低了金属损耗，具有很好的各向同性，但是左手频带比较窄，色散严重，电介质的介电常数要求很高，损耗依然比较严重，温度稳定性差，有待进一步研究发展。

Eleftheriades和Caloz 几乎同时提出了基于传输线理论构造左手材料的思想，Eleftheriades[34]等人利用传输线模型研究并解释了基于金属线和谐振环阵列的左手材料的传播特性。

这类左手材料通过传输线周期性加载分立元件(串联电容和并联电感)设计出具有负折射率的左手材料，更容易应用于射频/微波电路。

基于金属结构的左手材料的带宽是负电谐振区域和负磁谐振区域的重合部分，而这两种负谐振区域本身带宽比较窄，导致左手频带的带宽很窄。

而基于电介质结构的左手材料带宽依然比较窄，而且色散严重。

窄频带制约了左手材料的发展和应用，实现左手材料的宽带、多频一直是研究的重点和难点。

一般左手材料结构具有不对称性，尤其是金属结构对几何参数变化很敏感，理论上定量分析影响左手材料带宽的因素，缺少成熟的理论，仍处在半经验状态。

本文在理论上解释了影响金属结构左手材料带宽的因素，提出了设计宽带、多频左手材料的方法，通过电磁仿真验证了理论的正确性，为实现宽带、多频左手材料提供了理论指导和思路方法。

太赫兹频段研究现状自然界存在的物质在1-3THz范围内都不会出现强烈的电磁响应，这些微弱的响应成为阻碍太赫兹研究进展的一个重要因素。

2004 年Yen等人首次成功制备了具有强烈磁谐振响应的THz 左手材料。

此后，几乎所有具有电响应、磁响应或电磁响应的微波频段超材料结构(如细导线、开口谐振环、电开口谐振环、金属十字杆对等)都按比例调节到THz 频段并进行了研究，其特征尺寸为微米级，适合通过当前IC 制造技术进行制备。

2005 年，Katsarakis等对压缩到聚合物薄层的多层SRR 结构进行了研究，发现当电磁波垂直于SRR 平面入射时，在6THz 产生磁谐振并实现了负磁导率。

2008 年，Moser等成功制备了工作在THz 频段的S 型谐振器，指出当电磁波垂直或平行于S 型异向介质结构平面入射时，在2。

2THz 和1。

9THz 均实现了双负材料。

2008 年，Acuna等在THz 频段eSRR 异向介质实验中发现，当激励电场沿着对称轴且电磁波垂直于环平面入射时，在0。

7THz 和1。

6THz 均发生了谐振。

其中，1。

6THz 处的谐振模式是由于金属结构周期性激起的表面等离子体谐振导致的。

对不同周期的异向介质进行实验测量和数值仿真证实，该谐振模式与表面等离子体激元理论非常一致。

2008 年，Oliver Paul设计了垂直入射的十字型结构，这种左手材料刻蚀在Benzocyclobutene (BCB)衬底上，降低了损耗，同时具有各向同性的特点，可以用于构造三维左手材料。

由于THz 左手材料的结构尺寸在微米数量级，THz 左手材料的实验加工比较困难，以上THz 左手材料的研究主要集中在电磁波垂直入射的左手材料。

本文在THz 频段设计了一种电磁波水平入射的左手材料，这种材料是单面金属结构，结构简单，易于加工，减少了金属材料的使用量，降低了电磁损耗。

同时运用等效LC 电路原理解释了设计原理。

红外、可见光频段研究现状光频段负介电常数和负磁导率的实现是光频段LHMs 实现的前提。

其中，负介电常数的实现相对比较容易，因任何一种金属当电磁波的频率低于其等离子体谐振频率时，介电常数均为负。

而光频段负磁导率的获得就很困难。

自然界中大多数磁性物质的磁导率均大于零，且磁响应具有高频截止特性，如铁磁物质在可见光和红外频段将失去磁性，所以获得T Hz 或更高频段的磁响应无论对TH z 光学还是应用都有非常重大的意义。

在单个多开口谐振环内，需要考虑载流电子的动能，磁谐振频率与晶格长度a的线性关系被打破，随着a的增加，磁谐振强度加强，直至实现负磁导率。

而在微波和THz 低频段这种自由电子动能与磁能量相比可以忽略不计。

由于在红外、可见光频段实验加工难度高，左手材料的研究主要集中在理论方面，结构设计简单，如金属线对结构，渔网结构，球-杆形结构。

在左手材料的研究过程中，一般左手材料结构单元尺寸远小于入射电磁波的波长，可以近似认为结构单元上的电场和磁场是均匀分布，常采用集总参数的等效LC 谐振电路模型来解释负介电常数和负磁导率的产生机理。

在入射电磁波的作用下，把实现负磁导率和负介电常数的谐振器近似看作由集总电容和集总电感构成的LC 谐振电路。

集总参数的等效LC 谐振电路模型是解释左手特性最简单模型，可以成功地解释结构单元远小于入射电磁波波长的左手材料。

但是当左手材料结构单元的尺寸相对于入射电磁波长并不是无限小时，结构单元在不同位置的等效电容或电感不相同，对于结构单元较大的左手材料，可用分布参数的等效LC 谐振电路模型来解释负介电常数和负磁导率的形成原因。

由于分布式电容和电感很难从理论上定量描述，所以在解释左手材料时很少使用这种模型。

本文使用了集总参数的等效LC谐振电路，很好地解释了电谐振和磁谐振的成因，从理论上解释了等效电容和等效电感对谐振频率和相对带宽的影响，为左手材料的结构设计提供了理论依据。

2004 年T. J. Yen 等采用光刻蚀技术加工制备了结构单元为30μm 左右的铜SRRs 阵列，使负磁导率效应首次达到了红外波段。

制备的不同系列的SRRs 样品的几何参数为:线宽4μm 或6μm，内外环间距2μm 或3μm，外环边长分别为26μm、32μm 和36μm，晶格常数分别为36μm、44μm 和50μm。

SRRs 的材质为铜，厚度为3μm，其基板为400μm 厚的石英。

实验中采用椭偏测量仪，利用椭圆偏光法测量经样品表面反射光的S 偏振分量和P 偏振分量的复反射系数。

样品在入射光的激励下产生了1T Hz 磁响应，且磁响应强度比自然磁性材料大1 个数量级。

2005 年Shuang Zhang 等采用金属介电多层蒸发沉积以及光刻蚀技术制备周期性排列的金U 形环阵列，其周期为600nm，U 形环的面积和其两个脚的尺寸分别确定了环的等效电感和电容。

样品尺寸变化引起电容和电感的变化进而使谐振频率发生变化。

当入射波为横电磁波( TM 波) ，即入射波的磁场垂直于U 形环时，就会产生磁谐振。

该工作实现了材料在中红外60THz 波段的磁响应，并理论提出了通过减小电容和电感、优化现有样品结构和尺寸以获得近红外230THz 磁响应实现的可能性。

虽然微电子刻蚀技术已相当发达，但由于理论和实验条件的限制，可见光及红外波段LH Ms 的实现还具有很大的挑战性。

研究者们也提出了新的方法来实现可见光及红外波段LH Ms。

如普渡( Pur due) 大学的Shalaev理论证明金属/ 电介质复合材料可用于制备可见和红外波段LH Ms。

另外一个别出心裁的方法就是利用单轴或双轴晶体中非常光的异常折射来实现光频负折射效应。

左手材料应用和展望随着对左手材料的制备和物理特性等研究的深入，人们也开始尝试研究开发左手材料的应用。

微波段左手材料可广泛应用于微波器件，如微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、宽带相移器和天线等。

红外波段磁响应的实现可应用于生物安全成像、生物分子指纹识别、遥感、恶劣天气条件下的导航、微型谐振腔等。

可见光波段左手材料可以制作能突破衍射极限的透镜，因而可应用于超灵敏单分子探测器，用于探测微量污染、具有危险性的生物化学药剂、血液中表征早期疾病的蛋白质分子和进行医学诊断成像等。

另外利用左手材料负折射和倏逝波放大特性，可以制作集成光路里的光引导元件，有望制作出分辨率比常规光学透镜高几百倍的扁平光学透镜。

左手材料也有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，制作出存储容量比现有DVD 高几个数量级的新型光学存储系统。

目前因红外及可见光波段左手材料的制备技术还不成熟，所以左手材料的应用研究还集中在微波波段，特别是用在天线及射频武器领域更有独特的优势。

由于空间通信与微波( 射频)武器等领域对天线的要求日益提高，因此要求天线: ①具有高定向性，以确保通信的保密性和高效性; ②低重量，以具有机动性、移动性和易携带性; ③具有高增益，以降低发射系统的要求。

传统天线难以达到这些要求。

而利用左手材料对电磁波的负折射效应制作左手材料平板透镜，可以实现对天线辐射电磁波波束的汇聚，减小天线的半波瓣宽度，提高天线的方向性。