超材料(metamaterials)
超材料的设计及其在电子信息领域中的应用
超材料的设计及其在电子信息领域中的应用超材料，是指一种基于纳米或微米尺度的人工结构，能够具备超常的光学、电学、磁学性质，常用于各种电磁波调控和传感器等领域，其提供的超常性质使得各种应用新技术接连不断地涌现出来。
本文将详细介绍超材料在电子信息领域的应用及其设计思路。
一、什么是超材料？超材料（Metamaterials）是一种将材料精细结构化来突破基本物理限制的技术，从而创造出垂直于已有材料模型的新物理特性。
通过这种方式，超材料可以赋予材料一系列特殊的物理特性，包括负折射、负抗性、透镜功效和超出自然频谱的传导等。
超材料不同于普通材料，其特别之处在于，材料的特性不是由材料本身的化学或者物理特性决定，而是由材料内部复杂的结构来决定。
二、超材料在电子信息领域的应用1. 电磁波滤波器超材料能够吸收电磁波中的一部分，因此可以用于电磁波滤波器的制造。
通过超材料的制造，可以消除干扰频段，从而实现对特定频段信号的过滤。
2. 隐形材料利用超材料的特殊物理特性，可以制造出“隐形材料”，这种材料可以通过减少反射光来实现隐形。
这种技术广泛应用于市场营销宣传中，如消费电子产品和汽车领域。
3. 纳米电路与光子芯片中的应用超材料被广泛地应用于纳米电路和光子芯片中，这样能更好地调节光子器件的特性，并能够实现非常高的反射率，这在微孔和器件的安放需要非常特殊的环境中很有用。
4. 太赫兹波超材料的主要特点之一是对于太赫兹波（上文中提到的还是大多是光波），有很好的吸收功效，这种特性对于风险控制和病人监控以及特殊安全环境中的反面查找非常有用。
三、超材料的设计思路超材料的设计思路包括两大部分：耦合分析和仿真计算。
1. 耦合分析在超材料的设计中，耦合分析是非常重要的一步。
主要的作用是分析材料的电磁波特性并优化结构。
例如，超材料的设计者必须考量每种回流式波型对于其系统的影响，并针对其产生的电磁波在系统中进行分离、分析、重组和发射，以得出最佳的反射位点，从而使超材料的行为符合预期。
超材料在通信领域中的应用研究
超材料在通信领域中的应用研究随着信息时代的到来，现代通信正日益成为人们重要的生活方式之一。
在这一领域中，材料科学研究的重要性也日益凸显。
超材料（metamaterial）具有独特的电磁特性，能够从根本上改变电磁波的传播方式，因此在通信领域中的应用备受关注。
本文将就超材料在通信领域中的应用研究进行探究。
一、超材料的特性超材料是指一种由人工制造的材料，它的物理性质并非由自然材料所决定，而是通过人工设计和排列集成元器件得到的。
超材料应用了物理学中的一些前沿研究成果，比如负折射、负介质常数等，因此在特定波段上可以呈现出类似“隐形”的效果。
超材料的特性之一是折射率的负值。
在自然材料中，折射率代表着光线在介质中的传播速度与真空中传播速度之比。
而超材料中，折射率为负值，则说明了它具有一些对折射率产生影响的材料特性。
另外，超材料还可以实现电磁波的各向异性，即在同一方向上实现不同的折射率，这使得超材料在各种通信领域中都有很大的应用前景。
二、超材料在通信领域中的应用1. 通信天线超材料在天线制造中有广泛的应用。
由于折射率为负值的特性，超材料可以用来实现相位补偿天线、滤波器、涂层等应用。
通过利用超材料天线辐射控制的新方法，可以实现不同方向的天线辐射方向性，在无线传输中具有重要应用价值。
2. 安全传输超材料的隐形性质可以得到很好的应用。
在某些通信设备中，比如雷达和无线电设备上，超材料可以实现高分辨率成像和目标隐形，从而提高信息安全性。
3. 光波导超材料还可以用来制造光波导，以提高光纤通信的信息传输速率，解决传输损耗和限制问题。
通过结合通信领域应用的材料优势和超材料的特性，可以实现更好的信息传输效果。
4. 远程能源传输超材料在远程能源传输方面也有应用潜力。
通过超材料实现的负值折射率结构，可以实现微波、红外线等能量的准直传输，从而大大提升了远程无线能量传输的效率。
三、超材料在通信领域的研究现状目前，国际上对超材料在通信领域中的应用研究非常活跃。
超材料发展现状及应用前景分析
超材料发展现状及应用前景分析作者：韩雅娟褚文博来源：《新材料产业》 2014年第9期文 /韩雅娟褚文博中国国际工程咨询公司超材料（metamaterials）是一种人工电磁功能材料，由经过设计的金属微结构按既定的排布，镶嵌在树脂或陶瓷材料中构成，可实现对电磁波的调制，改变电磁波的传播方式等。
该种材料可突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能，为新材料设计开发带来新的机会。
作为一项诞生于 2000年的新兴交叉学科，超材料曾两次入选美国《科学》杂志“世界十大科技突破”，并于2010年被美国《科学》杂志评为过去10年中人类最重大的 10项科技突破之一。
一、超材料应用前景广阔超材料融合了电子信息、数理统计、生物医学、无线通信等新兴尖端领域先进技术，可广泛应用于航空航天、无线互联、生物医疗等众多高新技术领域。
因其特殊的电磁性能，超材料在雷达、隐身、电子对抗等诸多技术领域拥有巨大的应用潜力和发展空间。
突破吸波理论极限的超高性能吸波超材料以及透明超材料已在隐身飞机上投入应用。
超材料电磁薄膜卫星平板接收天线实现了平面化，具有小型化、可拼装的特点，是对传统抛物面天线的一次革命性技术创新。
采用超材料技术制造的高频射频器件，其体积和质量是同类产品的 1/4，峰值功率可达同类产品的 4倍。
此外，采用超材料技术，针对密度高、流量大、电磁环境复杂的WiFi无线覆盖解决方案也即将投入应用。
2013年，全球超材料产业市场规模约 2.9亿美元。
而据美国BCC Research公司预测，2019年超材料市场规模将达到 12亿美元，2024年则将达到30亿美元。
预计2019-2024年的年均复合增长率将超过 20%。
其中，电磁超材料将占到全部超材料市场规模的 40%～45%，应用前景十分广阔。
二、发达国家将超材料列入重要的战略领域、产业化技术逐步成熟美国、日本及欧洲等国家将超材料作为具有国家战略意义的新兴产业，积极投入到超材料技术的研发中，力争在超材料领域占据主导地位。
力学超材料 人工结构
力学超材料人工结构1.引言1.1 概述概述随着科学技术的发展，人们对材料性能的需求也越来越高。
力学超材料和人工结构因其独特的特点和广泛的应用前景而备受关注。
力学超材料是指那些具有非常特殊的材料特性和力学行为的材料，它们能够在力学领域展现出超过传统材料的性能。
人工结构是指通过人工手段将材料构造成特定形状和结构的一种技术。
它可以通过对材料内部的微观结构进行设计和调控，实现材料性能的改变和优化。
人工结构的制备过程包括材料的选择、设计、加工和组装等多个环节。
本文将从超材料的定义和特点以及人工结构的设计和制备两个方面进行介绍和探讨。
首先，我们将详细阐述超材料的概念和特点，包括其在力学领域的应用前景和优势。
其次，我们将深入研究人工结构的设计和制备过程，介绍其技术路线和现有的研究进展。
最后，我们将对超材料在力学领域的应用前景和人工结构的发展趋势进行分析和展望。
通过对超材料和人工结构的研究，我们可以更好地理解和探索材料的性能，以及其在力学领域中的广泛应用。
这对于提升材料的性能和功能，推动科技创新和工程应用具有重要意义。
希望本文能够为读者提供关于力学超材料和人工结构的全面了解，并激发更多的研究兴趣和创新思维。
1.2 文章结构文章结构部分的内容通常是对整篇文章的结构和组织进行介绍，可以包括章节分配、各个章节的主题和内容以及它们之间的逻辑关系。
在力学超材料和人工结构这个主题下，文章结构可以按照以下方式进行设计：2. 文章结构本文将按照以下结构进行讨论和阐述力学超材料和人工结构的相关内容：2.1 超材料的定义和特点在本章节中，我们将对超材料进行定义和讨论其特点。
首先，我们将介绍什么是超材料，包括其在物理学和工程学领域的定义。
其次，我们将详细探讨超材料的特点，包括其非常规物理特性和对电磁波、声波、光波等的优异响应能力。
通过对超材料的定义和特点的介绍，我们可以更好地理解超材料在力学领域中的重要性和应用前景。
2.2 人工结构的设计和制备在本章节中，我们将重点讨论人工结构的设计和制备方法，并介绍其在力学超材料中的应用。
超材料的应用前景
超材料的应用前景随着人们对材料科学的不断研究，超材料逐渐进入我们的视野。
在科学技术发展的今天，超材料的应用前景越来越广泛。
它的出现不仅解决了传统材料所无法解决的问题，而且还具有很多优良性能。
本文将从超材料的定义、特点、制备及应用四个方面探讨超材料的应用前景。
一、超材料的定义超材料（metamaterials）是指一些具有特殊结构的人工材料，这些材料具有优异的电磁性质和光学性质，可以用来改变电磁波的传播行为，包括反射、透射及绕射等。
它是一种具有微小精度的复合材料，可以制造出各种形态、各种大小和各种参数的人工结构，从而获得前所未有的新型材料。
二、超材料的特点超材料具有很多特点，最重要的特点就是它具有负折射率（negative refraction index）。
传统的材料都有正的折射率，即光线传播到经过材料界面时会发生折射。
而超材料特殊的结构使得它们能够反转这一过程，当光线穿过超材料时，不仅不会被挡住，反而会发生反向折射，从而实现“看得见都能穿过去”这一奇妙的现象。
此外，超材料还具有光学吸波、电磁波透射、电磁波隐身等特点。
这些特点使得超材料成为一个独特的物质，有着广泛的应用前景。
三、超材料的制备超材料的制备采用的是纳米技术（nanotechnology），这个技术通常需要使用金属、半导体、氧化物等多种原材料。
纳米技术制备超材料是一种复杂的过程，需要掌握很高水平的技术和专业知识。
目前最常用的制备方法是模板法（template method），即通过模板的结构来精确控制材料的形成。
这种方法可以制备出尺寸非常小的超材料，其精度可以达到奈米级别。
此外，还有一些其他的制备方法，如光盘压制法（replica molding）、电子束制备法（e-beam fabrication）等，它们的优缺点不同，可以根据需要来选择。
四、超材料的应用超材料具有非常广泛的应用前景，以下列举其中几个应用领域：1. 光学领域超材料在光学领域的应用非常广泛，包括光学隐身、微型光学、超分辨率成像、光学信息处理、光学传感器等。
超材料发展历史
超材料发展历史一、理论起源超材料（Metamaterials）的概念最早可以追溯到20世纪90年代初期，当时的理论物理学家提出了一种基于人工结构的设计理念，旨在创造具有特殊物理性质的新型材料。
这一理念的提出，为超材料的发展奠定了理论基础。
二、实验验证随着理论的不断发展，实验验证成为了超材料研究的重要一环。
研究者们开始通过微加工技术制造超材料的样品，并进行各种实验测试。
这些实验验证不仅证实了超材料的存在，还揭示了其独特的物理性质，进一步推动了超材料的研究进程。
三、技术突破在实验验证的基础上，研究者们不断探索超材料的潜在应用。
在这个过程中，技术突破成为了关键。
例如，通过优化制造工艺，提高了超材料的性能稳定性；通过引入新型设计理念，拓展了超材料的可应用范围。
这些技术突破为超材料的实际应用奠定了基础。
四、应用拓展随着超材料研究的深入和技术突破的取得，其应用领域逐渐得到拓展。
目前，超材料已经被广泛应用于微波通信、雷达吸收、传感器等领域。
未来，随着超材料的不断优化和性能提升，其应用前景将更加广阔。
五、产业推进随着超材料应用的不断拓展，产业界也纷纷涉足这一领域。
目前，已经有一些公司开始生产超材料产品，并逐步实现商业化应用。
同时，政府机构和科研机构也在积极推动超材料产业的发展，为超材料的未来发展提供了有力支持。
六、未来展望未来，随着科技的不断进步和研究的深入，超材料将会在更多领域得到应用。
同时，随着制造工艺和设计理念的不断提升，超材料的性能也将得到进一步优化。
可以预见，超材料将在未来科技领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展带来更多机遇和挑战。
超构材料与超构表面的名词解释
超构材料与超构表面一、超构材料的定义与特点1. 定义超构材料（metamaterial）是一种由人工制造的材料，它的物理性质不同于自然材料，而是通过精心设计的结构和元件达到的。
这些材料通常由基本单元或细小结构组成，这些结构的尺寸通常小于波长，从而可以改变电磁波的传播行为。
2. 特点超构材料具有以下几个特点：•负折射：传统材料的折射率为正，而超构材料可以具有负折射，即电磁波在超构材料中的传播方向与入射方向相反。
这种特性使得超构材料具有很强的能够聚焦电磁波的能力，可以用于制造超级透镜等光学器件。
•频率选择性：超构材料可以根据设计的需要选择性地阻隔或传递特定频率的电磁波。
例如，可以设计一种超构材料，它只能传递特定频率的微波，而对其他频率的微波具有很强的反射或吸收能力。
•负电磁参数：某些超构材料具有负的电磁参数，如负磁导率、负电容率等，使得它们可以实现负折射和其他非自然效应。
这些材料在电磁学和光学领域有着重要的应用。
•优越的机械性能：超构材料可以通过适当的结构设计具有优异的力学性能，如高强度、高韧性、低密度等，同时满足特定的工程要求。
二、超构表面的定义与应用1. 定义超构表面（metasurface）是一种由完全平面表面上排列的微观结构组成的表面。
这些微观结构的尺寸通常小于波长，并且通过调整其几何形状、位置和方向等参数来实现对电磁波的操控。
2. 应用超构表面在电磁学、光学、无线通信等领域有着广泛的应用：•光学透镜：通过在超构表面上设计具有特定相位延迟的微观结构，可以实现对光线的聚焦和成像。
这种光学透镜相比传统透镜更薄、更轻，并且能够实现更高的分辨率和更广的视场。
•极化控制：通过在超构表面上设计具有不对称性的微观结构，可以实现对电磁波的极化操控。
这种极化控制可以用于光学器件的制造、高效率天线的设计等领域。
•频率选择性表面：通过在超构表面上设计具有特定尺寸和形状的微观结构，可以实现对特定频率范围的电磁波的阻隔或传递。
《太赫兹超材料设计仿真及其传感特性研究》范文
《太赫兹超材料设计仿真及其传感特性研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，太赫兹波（THz wave）技术在诸多领域如通信、生物医学、安全检测等逐渐显现出其重要价值。
太赫兹超材料（Terahertz Metamaterials）作为调控太赫兹波的重要工具，近年来得到了广泛的研究和关注。
本文旨在设计并仿真太赫兹超材料，研究其传感特性，以期为相关应用提供理论依据和技术支持。
二、太赫兹超材料设计1. 设计原理太赫兹超材料设计基于亚波长尺度下的人工结构单元，通过调整结构单元的尺寸、形状和排列方式，实现对太赫兹波的特殊响应。
设计过程中需遵循电磁场理论、传输线理论等基本原理，结合计算机仿真软件进行模拟验证。
2. 结构单元设计在太赫兹超材料设计中，结构单元的设计至关重要。
本文设计了一种新型的开口环谐振器（Split-Ring Resonators, SRRs）结构，通过调整开口环的尺寸、间距和排列方式，实现对太赫兹波的精确调控。
此外，还设计了其他多种结构单元进行对比分析。
3. 仿真方法本文采用时域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）进行仿真分析。
通过建立三维模型，设置合适的边界条件和激励源，模拟太赫兹波在超材料中的传播特性。
此外，还利用电磁场仿真软件对结构单元的电磁响应进行了仿真分析。
三、太赫兹超材料传感特性研究1. 传感原理太赫兹超材料的传感特性主要基于其特殊的电磁响应。
当太赫兹波与超材料相互作用时，其电磁场与超材料中的结构单元发生耦合，产生特定的共振效应。
通过测量共振频率、振幅等参数，可以实现对物质特性的检测和传感。
2. 实验方法实验中，我们采用太赫兹时域光谱技术（Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz-TDS）对太赫兹超材料的传感特性进行测量。
通过将超材料样品置于太赫兹波束中，测量透射、反射等信号，获取样品的太赫兹光谱数据。
各向异性超材料设计及其光电特性
各向异性超材料设计及其光电特性各向异性超材料（Anisotropic metamaterials）是一种具有特殊光学性质的新型材料。
它们可以通过调变其结构和组分来实现对电磁波的精确控制，从而使其具备许多传统材料所不具备的特性和功能。
本文将着重讨论各向异性超材料的设计原理，并探讨其在光电领域的应用。
首先，我们来了解一下各向异性超材料的设计原理。
各向异性超材料是通过构筑具有特定的空间结构和周期性分布的微观元胞来实现的。
这些微观元胞的尺寸通常远小于光波的波长，因此可以被视为均匀介质，而不受尺寸限制的宏观规律。
通过设计微观元胞的结构和组分，可以实现对电磁波的传播速度、极化方向以及传播路径等参数的精确控制。
这种精确控制使得各向异性超材料具备了许多传统材料所无法达到的特殊性质。
其次，各向异性超材料在光电领域有着广泛的应用。
其中一个重要应用是光学透镜的设计。
传统光学透镜的成像能力受到衍射极限的限制，而采用各向异性超材料作为透镜材料可以克服这一限制。
各向异性超材料透镜可以通过调控其折射率来实现对光的聚焦和偏折，从而实现超分辨率成像。
这种超分辨率成像在生物医学、半导体芯片制造等领域有着重要应用价值。
此外，在光电通信领域中，各向异性超材料也具备很大的潜力。
由于各向异性超材料对光波的控制能力，可以实现超高速光的拆解和重构。
这种能力可以用于光时钟信号的传输和处理，大大提高光电通信系统的数据传输速率和容量。
各向异性超材料的应用还包括光电设备中的光波导、光开关等组件的设计和制造。
此外，各向异性超材料还可以用于太阳能电池的提效。
各向异性超材料可以通过设计其光学功率因子和透射谱，实现对太阳辐射光的高效吸收和转换。
这种高效的太阳能转换技术将为可再生能源领域的进一步发展提供强有力的支持。
然而，各向异性超材料的设计和制备并不是一项容易的任务。
首先，需要精确把握各向异性超材料的微观结构和组分与其宏观性质之间的关系。
其次，制备具有所需微观结构的各向异性超材料也是一项挑战。
超材料的曼波效应
超材料的曼波效应超材料(Metamaterials)，又称为元材料，是一种由人工制造的材料，它可以改变光的方向，并具有特殊的物理特性，而这些特性是传统材料无法模拟的。
近年来，超材料已经被广泛应用于光学、无线通信、生物医学、能源等领域。
其中，曼波效应(Mie effect)的发现更是由超材料引发的一次革命性的突破，为科学界提供了一条新的研究途径，也为各个领域的应用提供了更多的可能性。
曼波效应(Mie effect)是科学家发现的一种物理性质，它是指当某种特定的物体，如微米级尺寸的球形金属粒子，暴露在一定波长的光照下时，其发射光谱会发生剧变。
它广泛用于光学领域，如光子晶体、可调谐滤波器和光子晶体等。
曼波效应也可以用于无线通信、生物医学、能源等领域，从而解决相关领域的科学研究和工程应用中的问题。
超材料的曼波效应发展起来主要是因为它具有独特的物理性质，这些性质可以对光照射在其表面上产生改变，这相当于在物理上对光进行分离。
超材料具有特殊的结构，可以把空间和时间分离开来，从而实现光照射时间的控制，从而实现曼波效应。
曼波效应可以应用在许多领域。
在光学领域，曼波效应可以用于光子晶体、可调谐滤波器和光子晶体的制造，从而获得更大的穿透力和更高的效率。
在无线通信领域，曼波效应可以用于消除干扰，提高信号传输的稳定性，并增强信号传输的效率。
在生物医学领域，曼波效应可以用于精确的治疗和诊断，以更精确的方式治疗疾病。
在能源领域，曼波效应可以用于提高太阳能电池的效率，更有效地利用太阳能。
由于超材料的曼波效应，可以有效地控制光照射时间，从而解决许多领域中存在的问题，并且因为曼波效应的发现，超材料也已经被广泛应用在各个领域中。
虽然超材料的曼波效应只是一种新发现的技术，但它的应用可能会为我们的生活带来极大的改变，让我们的生活更加安全、环保、舒适。
材料声学中的超材料设计与优化
材料声学中的超材料设计与优化超材料 (metamaterial) 是指一种人工制造的材料结构，能够在相空间的任意位置展现出不同的局部特征，具有一些传统材料所不具备的特殊物理性质。
材料声学中的超材料主要是指其针对声波的特殊化设计与制备。
在声学领域中，超材料的独特能力可以被广泛应用于音源与监听器的声波控制、声学成像与超分辨成像等方面。
声学超材料的特征从物理和数学的角度来看，超材料可以表示为具有特殊等效参数的一组结构单元集合。
当声波穿过材料时，这些单元上的有效参数即呈现出右手/左手规律 (Right-Handedness/Let-Handedness)，使得材料在特定频率范围内产生正负折射、负折射、透射等等声学特性。
声学超材料主要包括平面超材料、体材料和随机超材料。
除此之外，超材料的魅力还表现在其可调性、功能性以及优异的原子聚集性结构等方面。
这些特征使得声学超材料在理论与实践中都具有很高的潜力。
声学超材料的制备与优化声学超材料的制备首先需要考虑其结构单元的尺寸、形状、排列方式等因素。
一般而言，超材料的单元尺寸应该比声波波长要小得多，以避免散射和拍振。
同时，超材料单元的形状和排列方式对超材料的特性也有一定的影响，这直接涉及到声波在他们之间的散射、透射和反射等现象。
为了优化声学超材料，需要根据其应用目标来针对超材料的参数进行调整。
其中，最为常见的优化方式包括光学设计、电感-电容分析法及模拟等方法，这些方法都会针对不同的超材料特性进行优化。
目前，声学超材料的最大难题在于其制备技术的限制，同时也需要我们更加深入的探究其物理特性，以实现超材料的更加精细化设计和优化。
声学超材料的应用场景声学超材料具有较广的应用场景。
在声学信号的传输和控制方面，超材料可以有效地消除声波的阻尼现象，从而可以用于控制声音的传输和吸附，这使得其在通信和防护领域中具有广泛的应用潜力。
同时，超材料的结构特性也使得其可以被用于声波的成像、聚焦和分辨。
智能体尺度超材料制备及优化研究
智能体尺度超材料制备及优化研究随着科技的不断发展和人类对于物质的探索，超材料作为一种新型材料，逐渐成为了研究热点。
超材料的特殊结构和材料属性给物品赋予了超常的性质和强大的能力，成为了科学家们探索高性能新材料的重要途径之一。
而在超材料研究领域，智能体尺度超材料的制备及优化研究则是一个非常重要的研究方向。
智能体尺度超材料的定义和意义智能体尺度超材料（Intelligent Body-Scaled Metamaterials）是一种新型的超材料，其结构可以在微米尺度下制备，其物理特性可以被调制以实现各种不同的物理功能。
智能体尺度超材料的制备及优化研究是为了获取一种材料，它能够穿透不同环境条件下的障碍，获得智能体的动态信号，从而使智能运动和控制变为可能。
智能体尺度超材料的研究意义在于开拓了一种新型材料的可能性，并且可以应用在更加广泛的领域，如人机交互、智能医疗等。
智能体尺度超材料的制备智能体尺度超材料的制备是超材料研究领域的难题之一，因为其结构需要在微米级别下构建，同时精度和稳定性也需要极高。
当前，智能体尺度超材料的制备主要采用以下几种方法：1. 仿生技术制备法智能体尺度超材料可以仿生设计，将各种自然组织结构的特点应用于超材料的设计和制备。
在仿生技术制备法中，通过模仿自然界中的生物体结构、分形结构，使用计算机模拟等技术，可以实现智能体尺度超材料的制备。
这种方法能够保证超材料结构的稳定性和高精度，适用于制备复杂的智能体尺度超材料。
2. 自组装法自组装技术是利用小分子间的非共价作用力在事先设计的模板或者解释小孔中自发组装形成的一种自组装结构材料制备技术。
这种方法可以制备出多种组织形态的智能体尺度超材料。
但其制备过程中的局限性比较大，需要通过一定的手段达到高精度和高稳定性。
3. 精密控制法精密控制技术是利用光刻、电子束曝光和纳米制造等最先进技术来制备智能体尺度超材料。
这种技术能够实现高精度、高稳定性的智能体尺度超材料制备。
超材料
超材料的发展及国内外研究现状目前，国际上学者将由人工设计的、具有特异电磁性质的结构安排制备形成的材料统称为超材料(metamaterial)。
近年来人们对这种超材料特别感兴趣，原因在于这种超材料结构的周期长度远小于电磁波波长，有利于器件的小型化和集成化，这是普通的光子晶体无法比拟的。
超材料有单负材料(single-negative materials：SNG)和双负材料(double．negative materials：DNG)两种。
把介电常数和磁导率均为负的材料称之为DNG，即左手材料(1eft．handed materials：LHMs)；把介电常数和磁导率仅有一者为负的材料称之为SNG。
相应地将同时具有正介电常数和正磁导率的材料称为双正材料(double positive materials：DPS)即右手材料(right handed materials：RHMs)。
左手材料的基本理论及国内外研究现状介电常数ε和磁导率μ是用于描述物质电磁性质的最基本的两个物理量，它们决定了电磁波在物质中的传播特性。
对一般电介质而言，介电常数ε和磁导率μ都是非负的常数。
由Maxwell方程组可知，在ε和μ都为正值的物质中，入射电磁波的电场、磁场和波矢(相位传播方向)三者构成右手关系，这样的物质被称为RHMs。
迄今为止在自然界见到的都是RHMs。
然而，前苏联物理学家Veselago[1]在1968年提出，当ε和μ同时为负值时，Maxwell方程依然成立，电磁波仍然可以在这种“双负材料”中传播。
由于在这种材料中电场强度、磁场强度与波矢之间构成左手关系，故Veselago称这种材料为左手材料(LHMs)同时也称双负材料(DNG)。
LHMs有时也被称为负折射率材料(negative inedex ofrefraction materials：NIR materials)。
由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数，折射率也是负的，电磁学理论与后来的实验结果都证实它有很多奇异的特性，比如负折射效应、完美透镜效应[2]、逆切伦柯夫辐射效应、反多普勒效应[3]等。
声学超材料
1超材料1.1概述超材料(Metamaterials)指的是一种特种复合材料或结构，通过在材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。
超材料由自然材料制成的“积木块”(尺寸为微毫米级)构成。
这些“积木块”称为人工原子(meta-atoms)，当不同的人工原子组合在一起时，会形成单个人工原子所没有的材料属性和功能特征。
一般情况下，常规自然材料的物理属性取决于构成材料的基本单元及其结构，例如原子、分子、电子、价键、晶格等。
这些基元与显微结构之间存在关联影响。
因此，在材料设计中需要考虑多种复杂的物性因素，而这些因素的相互影响也往往限定了材料性能固有极限。
为此，超材料设计从根本上摒弃了自然原子设计所囿，利用人工构筑的几何结构单元，在不违背物理学基本定律的前提下，以期获得与自然材料迥然不同的超常物理性质的新材料。
简言之，超材料是一大类型人工设计的周期性或非周期性的微结构功能材料，具有超越天然材料属性的超常物理性能。
超材料借助人工功能基元构筑的结构设计源起于(但不限于)对自然材料微结构的模仿，从而获得为人类所希冀的负折射、热隐身、负刚度、轻质超强等天然材料所不能呈现的光、热、声、力学等奇异性能。
从这个角度讲，超材料的结构设计理念具有方法论的意义，解除了天然材料属性对创造设计的束缚。
尽管这一理念早在上个世纪就已在电磁领域初具雏形，不过直至近十年来，方才开启研发电磁波的调控，以实现负折射、完美成像、完美隐身等新颖功能。
随着先进制造技术的进步，具有更多样化、更新奇力学特性的力学超材料物理模型也相继不断展现。
尤其是当超材料的个性化独特微结构设计与3D打印制造技术形成了完美的契合之时，两者之间相互整合协同创新，正开启全面推进材料创新设计和制造的新格局。
1.2超材料类型及研究现状材料的属性，不是仅仅由一种物性决定，也不是几种晶体学特性的总和，或是一系列的微尺度晶界工程特性来决定的，而是由材料晶体结构各个单元之间的本构关系，也就是不同晶格单元之间如何组合的结构拓扑关系所决定的，而这些外在表现出来的宏观物理学的行为属性，发挥着其应有的可利用价值。
超材料与电磁波效应的关系
超材料与电磁波效应的关系超材料是一种新型材料，它具有超过自然界和传统材料的物理特性。
超材料可以使电磁波的传播和控制得到掌握，从而应用在通信、光电子和医学等领域。
本文将介绍超材料和电磁波效应的基本概念及其关系。
一、超材料的概念与特点超材料（metamaterials）是指具有人工设计晶格结构的材料。
它由人工微观结构组成，可以控制电磁波的传播方向、速度和波长等物理特性。
与自然界中的材料相比，超材料具有以下几个特点：1. 超材料的微观结构是由人工设计的，可以根据需要改变其物理特性。
2. 超材料的组分和结构可以操纵电磁波的传播方向、速度和波长等。
3. 超材料不仅可以弯曲光线、折射光线，还可以把光线分离出具有不同颜色的小光谱条，这在光电子技术中有广泛应用。
4. 超材料具有负折射率和负群速度等物理特性，这使得超材料可以实现超透明、隐身、反射和广泛的应用。
二、电磁波的基本概念电磁波是一种具有电和磁场波动的能量传输方式。
它的传播速度是固定的，一般记为c，其大小近似等于光在真空中的速度，即c=299,792,458 m/s。
电磁波的频率（f）和波长（λ）之间有一个固定的关系：c=fλ。
这个公式说明，在真空中，电磁波的速度是恒定的，频率越高，波长越短。
在介质中，电磁波的速度会发生改变，这表现为折射现象。
三、超材料可以通过操纵电磁波的传播速度和波长来控制光波。
当电磁波传播到超材料表面时，由于表面的微观结构不同于传统材料，超材料表面的等效介电常数和磁导率也不同，这可以使得传播的电磁波的速度发生改变，即出现逆相位差，出现折射现象。
这个现象可以用超材料的等效介电常数和磁导率来描述。
超材料的折射率，记为n，则为：n=c/v，其中v为电磁波在超材料中的传播速度。
当v<c时，折射率为负数，这一点与自然界中的材料不同。
这意味着，由于有了负的折射率，超材料能够反射光线，并使其绕过物体，从而实现超透明和隐身的效果。
此外，超材料还可通过调控电磁波的等效介电常数和磁导率，改变电磁波的传播方向，实现光电子控制。
超颖材料
“超材料（metamaterials）”：超越天然材料的自然极限摘要“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。
从本质上讲，metamaterial更是一种新颖的材料设计思想，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。
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。
超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。
关键词：超材料，材料设计，左手材料，光子晶体1、“超材料（metamaterials）”的基本定义“Metamaterial”是本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”。
在互联网上颇有影响的维基百科（Wikipedia）上，对metamaterial一词是这样解释的：In electromagnetism (covering areas like optics and photonics),a meta material (or metamaterial) is an object that gains its(electromagnetic) material properties from its structure rather than inheriting them directly from the materials it is composed of. This term is particularly used when the resulting material has properties not found in naturally formed substances.这一解释可能是迄今对metamaterial这一概念给出的最符合科学规范的定义，尽管这一定义从目前的观点看过于狭隘（该定义似乎只针对电磁领域的材料，而实际上，最新的研究metamaterial已经包括一些声学材料）。
超构材料与超构表面的名词解释
超构材料与超构表面一、超构材料的定义和基本概念超构材料（metamaterial）是一种具有特殊结构和性质的人工合成材料，其具有常规材料所不具备的特殊功能和性能。
超构材料通过设计和控制其微观结构，能够实现对电磁波、声波、光波等物理波的传播和相互作用进行精确调控。
超构材料的设计和制备依赖于人工合成的微观结构，这些结构通常由周期性排列的单元组成。
这些单元可以是金属、陶瓷、聚合物等不同种类的物质，通过精确控制单元之间的尺寸、形状、排列方式等参数，可以实现对电磁波或其他物理波进行特定调控。
二、超构材料的特点与应用领域1.负折射：超构材料可以实现负折射现象，即光线在进入超构材料后会被偏折到与入射方向相反的方向。
这一特性可以用于制造透镜、聚焦器等光学器件，在光学通信、成像等领域具有广泛应用。
2.超透镜：超构材料可以实现超透镜效应，即将细微的细节放大到可见范围。
这一特性在纳米电子学、生物医学等领域具有重要应用价值。
3.负折射率：超构材料可以实现负折射率，即在特定频率范围内，电磁波在超构材料中传播的速度比真空中的速度还要快。
这一特性对于微波通信、雷达技术等有重要应用。
4.隐身技术：超构材料可以通过调控电磁波的传播和散射行为，实现对物体的隐身效果。
这一特性在军事领域具有重要意义。
5.声学调控：超构材料在声学领域也有广泛应用。
通过设计和制备特殊结构的超构材料，可以实现对声波的传播和散射进行精确调控，从而改善声学设备的性能。
三、超构表面的定义和基本概念超构表面（metasurface）是一种具有人工合成结构的二维表面，其微观结构的周期性和形状被精确设计和控制，以实现对电磁波的传播和散射进行精确调控。
超构表面通常由周期性排列的微观单元组成，这些单元可以是金属、介质等材料。
通过调整单元之间的间距、尺寸、形状等参数，可以实现对电磁波的相位、振幅等特性进行精确调控。
四、超构表面的特点与应用领域1.透射与反射控制：超构表面可以通过调控微观单元的相位和振幅，实现对电磁波的透射和反射行为进行精确控制。
超材料简介
“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。
“超材料”（Metamaterial）是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。
超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。
超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。
典型的“超材料”有：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”、“金属水”。
六类超材料及用途1、自我修复材料——仿生塑料伊利诺伊大学的Scott White研发出了一种具备自我修复能力的仿生塑料。
这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“血管系统”，当出现破损时，液体就可像血液一样渗出并结块。
相比其他那些只能修复微小裂痕的材料，这种仿生塑料可以修复最大4毫米宽的裂缝。
2、热电材料一家名为Alphabet Energy的公司开发出了一种热电发电机，它可被直接插入普通发电机的排气管，从而把废热转换成可用的电力。
这种发电机使用了一种相对便宜和天然的热电材料，名为黝铜矿，据称可达到5-10%的能效。
科学家们已经在研究能效更高的热电材料，名为方钴矿，一种含钴的矿物。
热电材料目前已经开始了小规模的应用——比如在太空飞船上——但方钴矿具备廉价和能效高的特点，可以用来包裹汽车、冰箱或任何机器的排气管。
3、钙钛矿除晶体硅外，钙钛矿也可可用来制作太阳能电池的替代材料。
在2009年，使用钙钛矿制作的太阳能电池具备着 3.8%的太阳能转化率。
到了2014年，这一数字已经提升到了19.3%。
相比传统晶体硅电池超过20%的能效。
科学家认为，这种材料的性能依然有提升的可能。
钙钛矿是由特定晶体结构所定义的一种材料类别，它们可以包含任意数量的元素，用在太阳能电池当中的一般是铅和锡。
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在一个各向同性的物质中可写成：
k2 2 n2
c2
如果我们不考虑损耗，认为和 都是实数，则如果和 同时反号则对于这种关系没有影响。
“逆行波”
电磁波传播的能量是由坡印亭矢量表示
S c EH
4
在一般的材料中，S与波矢k具有共同的方向，即电磁波 的能量传输方向与相位传输方向相同
Infiltrating PLZT precursor into the voids of the colloid crystal and drying
PLZT precursor gel infilled polystyrene microspheres
Sintering
Ceramic PLZT inversed OPAL
“超材料”设计路线
基本原理
研究方法
设计空间
已有材料
半导体超晶格 光子晶体 “左手材料” 超磁性材料 声子晶体与声学超结构 有序天线基板 。。。。。
实例：“超磁性”材料
光子晶体
什么是光子晶体？
几个基本概念
光子能带：电磁波在由不同介电材料组成的周期
性的结构中传播时，同半导体中的电子一样，也会形 成能带结构--光子能带。 光子能隙：光子能带之间可能没有重叠，这样，也会 形成同半导体一样的能隙--光子能隙。频率落在光子 能隙中的电磁波是禁止传播的。 光子晶体：具有光子能隙的介电材料构成的周期结构
基本设计思想
通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而 获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的 物理性质。
自然界中物质的有序主要存在于原子层次－－原子的有序 排列形成晶体，进而产生一些无定型态所不具备的物理特 征。
依此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度 的自然界中的材料所不具备的物理性质。
无损耗波导及各类分光光路
光子晶体WDM
光子晶体光纤
可以在很大的频率范围内 支持光的单模传输；
光纤允许改变纤芯面积， 以削弱或加强光纤的非线 性效应；
可灵活地设计色散和色散 斜率，提供宽带色散补偿。 光子晶体光纤可以把零色 散波长的位置移到1 μｍ以 下。
光子晶体表面发射激光器
全光开关与晶体管
第十一章 光电“超材料” （metamaterials）
什么是“超材料（metamaterials）”？
定义： 具有天然材料所不具备的奇异物理性质的
人工材料。
实例：光子（电磁波）带隙材料 “左手”材料 超磁性材料
“超材料（metamaterials）”的特点
通常是具有新奇结构的复合材料； 具有超常的物理性质； 建立在革命性的物理概念基础上； 具有新颖的应用前景。
“反OPAL ” 结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱
在片式电感阵列基础上的微波带隙结构
微波传输谱
9 layers 7 layers
5 layers 2 layers 1 layer
2G
3G Frequency (Hz)
4G
六角型矩阵的设计与制备
（a）设计阵列图案
（b）流延得到的基板光学照片
微波传输谱（1）
分析：介电常数变化介质中光的传播
一维周期结构：最简单的情形
光子带隙的形成
发展历程
发展历程
二维光子晶体的中的光子带隙
三维光子晶体的中的光子带隙
三维光子晶体的态密度
光子时代的半导体
光子带隙材料与半导体的比较
Photonic Crystal
Semiconductor
Periodicity Character: Refractive index
2G
3G
不同测试角度的微波传输谱
a)
c) d) b)
e)
4G
e d
c b a
2G
3G
4G
Frequency (Hz)
微波传输谱（2）
带隙结构
-18 -20 -22 -24 -26 -28 -30 -32 -34 -36
2.0G
hexagon array
2.5G
3.0G
Frequency (Hz)
3.5G
“反OPAL ” 结构PLZT陶瓷的形貌与结 构
I feel that you have made an excellent advancement in art and science of forming photonic crystal . --David W. Johnson Jr.
“反OPAL ” 结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱
E ~ Ke
应用领域
无损耗波导及各类分光光路 无损失反射镜 零阈值激光器及光学微腔 光（电磁波）晶体管 低阈值全光开关 光（电磁波）放大器 光子晶体光纤 微波天线基板
－－ 从理论上讲，通过设计光子（电磁波）带隙结 构，可以获得几乎任何我们所需要的光（电磁波）功能
－－ 能够使各类光学元器件集成到一起
什么是左手材料
在一定的电磁波频段同时具有负介电常 数和负磁导率的材料系统。
颠倒了电磁波传播过程中电场、磁场和 传播方向所应遵循的“右手定则”。
基本设计思想
1967年，前苏联Veselago首次了在同时具有负的介电场数和 负的磁导率的材料
色散方程：
2
c2
jl lj
k 2 ij
kik j
0
光晶体管原理
微波调制器件
天线基板
“反OPAL ” 结构PLZT陶瓷的制备
Monodisperse colloidal suspension of polystyrene microspheres
Self-assembly
Colloid crystal (fcc) of polystyrene microspheres
10 circles 8 circles 6 circles 4 circles 3.5 circles 3 circles 2.5 circles 2 circles 1.5 circles
1 circles 0 circles
Y Axis Title
2G
3G
4G
Frequency (Hz)
左手材料
Electrical potential
Period Size:
Optical wavelength DeBroglie Wavelength
Eigen equation:
Maxwell’s equation Schrodinger’s equation
Dispersion Relation:
~ Kph