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超材料——过去十年中人类最重大的十项科技突破之一

狭义上超材料即指电磁超材料,电磁超材料具有超越自然界材料电磁响应极限的特性,能够实现对电磁波传播的人为设计、任意控制。目前该材料被应用在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等方面。

看好电磁超材料在军工、通信和智能结构等方面的应用前景

电磁超材料在军工领域的应用比较广泛,目前已应用的超材料产品包括超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通讯天线、无人机雷达、声学隐身技术等。

通信领域电磁超材料最具应用前景的就是无线Wi-fi网络,目前光启已进入该领域。

电磁超材料在智能结构中的应用主要有两类:地面行进装备用智能结构和可穿戴式超材料智能结构。智能结构用电磁超材料的市场前景非常广阔

A股超材料主题相关上市公司主要包括:国民技术(300077)、龙生股份(002625)、鹏博士(600804)和鹏欣资源(600490)等,建议重点关注国民技术、鹏博士和鹏欣资源。

超材料

“Metamaterial”是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于

metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。

迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。“左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国《科学》杂志评为2003年的"年度十大科学突破"之一。

1原理

超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向设计，根据针对电磁波的具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。

2特征

metamaterial重要的三个重要特征：

（1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料；

（2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；

（3）metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

3隐形功能

具有讽刺意味的是，超材料曾被认为是不可能存在的，因为它违反了光学定律。然而，2006年，北卡罗来纳州的杜克大学（Duke University）和伦敦帝国理工学院（Imperial College）的研究者成功挑战传统概念，使用超材料让一个物体在微波射线下隐形。尽管仍有许多难关需要克服，但我们有史以来头一次拥有了能使普通物体隐形的方案（五角大楼的国防高级研究计划署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency，DARPA]资助了这一研究）。

4制造研究

超材料获得

不同波长的光线被特殊波导捕获形成彩虹

从metamaterial的定义中可以看出，超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。因此，早期的“超材料”研究与材料科学无缘。无论是左手材料还是光子晶体，最早开展研究的都是物理学家，而此后由于可能的应用，一些电子科学家进入了这一领域。

事实上，要获得理想的“超材料”，“材料”的选择是至关重要的。对于光子晶体材料，人们在实验上长期追求的目标是实现光频段的完全光子带隙。科学家选择了银作为介电背景，银在可见光范围的折射率在0.2-0.4左右，且有很好的透光性。利用化学过程将银引入到聚乙烯微球晶体，结果获得了具有接近完全带隙的光子晶体。利用材料科学的原理，把各种功能材料引入“超材料”系统，有可能获得具有新功能的超材料或器件。

生产制造

不同波长的光线能够被特殊波导的不同位置捕获，形成彩虹

美国与中国台湾科学家利用已广为光学工业界接受的斜角沉积(oblique angle deposition, OAD)技术为基础，发展出一项可以大规模生产光学超材料(metamaterial)的技术。该小组以伯这种技术在硅基板上制作银纳米柱(nanorod)构成的薄膜，该薄膜能以特殊的方式操控光，在光电产业上具有广泛的应用。

超材料引起了不少研究兴趣，主要是因为它具有制作隐形斗蓬(invisible cloak)及超级透镜(superlens)的潜力。然而，截至目前制作出来的超材料只能在有限的频率范围内工作，而且很难大量生产。为克服这个问题，台北科技大学的任贻均(Yi-Jun Jen)等人采用了斜角沉积法来制作超材料。

斜角沉积法顾名思义是在真空中以倾斜角度将薄膜材料沉积在基板上。任贻均等人先以电子轰击银块材使其气化，然后让银蒸气沉积在2英寸厚的硅基板上，通过调整基板的倾斜角度，让银在自我遮蔽效应(self-shadowing effect)作用下，优先朝蒸气注入的方向生长成纳米柱。

长成的银薄膜厚240 nm，银纳米柱长650 nm、宽80 nm，并与基板法线夹66度角。研究人员以波长介于300至850 nm的光照射样品以测量其光学特性，结果发现在波长介于532至690 nm间会产生负折射，而理论上该系统在可见光波段(380-750 nm)都会产生负折射。

宾州州立大学的Akhlesh Lakhtakia表示，虽然其它团队也曾制作这类薄膜，但从未有人采用双轴介电-磁性材料(biaxial cielectric-magnetic material)。他指出，由于斜角沉积法是一种平面技术，它应该能轻易地与微电子制程整合。该团队接下来将研究薄膜形貌的影响，并开始研发层状结构以降低能量的衰减。[1]

5应用研究

零折射率超材料

一个国际科研团队研制出了一种新的光纳米结构，使科学家能操纵光的折射率并且完