超材料介绍

超材料

摘要：

“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”。

超材料-概念

美国科学家研制出超材料

“超材料"是指一些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。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

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。

但是"超材料"这一新的观念尚未被学术界，特别是材料学界完全接受。不过，作为一种材料设计理念，已开始为越来越多的学者所关注。

超材料-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。超材料-制造研究

超材料获得

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。

超材料-应用研究

美科学家研制超材料可吸收所有光线

隐身衣技术需要超材料

来自美国波士顿学院和杜克大学的科学家研究小组研制出一种高效超材料(metamaterial)，能够吸收所有到达其表面的光线，达到光线完全吸收的科学标准。这项研究报告发表在2008年6月出版的《物理评论快报》上。

波士顿学院物理学家威利·J·帕迪利亚说，“当光线打击材料介质时会出现三种情况：光线被反射，比如光线照射镜面时；光线被传播，比如光线照射在玻璃窗户上时；最后一种情况就是光线被吸收并转换成热量。这种最新设计的超材料可以确保光线既不被反射，也不在其

中传播，而是将光线完全吸收转换成热量。我们设计的超材料具有特殊的频率可以吸收所有打击在其表面上的光量子。”该研究小组除帕迪利亚之外，还包括波士顿学院研究员内森·I·兰迪和杜克大学大卫·R·史密教授、研究员索基·萨吉伊格比和杰克·J·莫克。

研究小组基于之前用于设计共鸣器的作用场，用计算机模拟实现了电场和磁场结合在一起能够成功吸收所有放射光线。由于这种超材料成份可以分别吸收电磁波的电场和磁场，从而可以较高地吸收窄频范围的光线。帕迪利亚称，这种超材料第一次示范了对光线的完全吸收，它不同于独立建造于金属元件的传统吸收材料，现使该材料更加柔韧，适合应用于收集和探测光线。

超材料的设计赋予其新的特征，突破了它本身的物理成份限制，能够依据光线放射程度进行“剪裁定制”。由于该材料的设计基于几何等级，这种超材料可以应用于相当数量的电磁光谱。

超材料用于3D显示

“超材料”（以负折射率介质为代表的新型人工电磁介质）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。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。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。

根据研究者的介绍，在3-D显示中采用这种原理，要求光从象素的平面阵列中通过光纤到达它们应在的空间位置上。光从“超材料”制造的空心光纤投射下来，周围的光绕着管道改变方向，使这些光不可见。另一方面，从象素的平面阵列过来的光，不可见地通过每根光纤，在三维空间的特定位置上发光。通过在空间中对数以千计这种象素的排列，可以使得3-D 显示简单地浮现在空中。

Greenleaf和他的同事警告说利用“超材料”管道进行3-D显示是一个未来多年的长期目标，但是短期内可以运用到医学上，比如，“超材料”管道可以掩盖外科医生内视检查中的不需要的部分，通过穿过“超材料”管道的光，外科医生可以有效地隐藏除了他的工具外的其他可见物，可以更快，更准确地进行内视检查。

Greenleaf和他的合作者还未制造出“超材料”管道，不过，他们声称可以制造出蓝图可以让其他制造者参照。特别地，“超材料”需要对负折射率的设计，所以可以使光在管道中从一个方向转为另外一个方向，就好像覆层管道几乎不存在一样。研究者的蓝图包括管道内“超