负折射材料

超材料一词来源于其英文名称Metamaterial，又被译为特异材料，是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，其定义是“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”。比如属于超材料的左手材料（负折射率材料）同光波相互作用的方式与自然材料迥然不同。因为超材料的物性由人工结构决定而不是由材料本征特性所决定，所以超材料的诞生为材料界引入一个全新的设计理念，以往是自然界有何种材料，就能制造出何种物件，而超材料完全是逆向设计，即针对电磁波的应用需求制造出相应功能的材料。超材料的目标是利用人造构成要素替代原子及分子、以类似结晶的结构规律来形成新的传输介质[1]。近年来超材料的研究范围主要有：左手材料、光子晶体、频率选择表面等。

一、超材料研究受到重视[2]

1967年，苏联理论物理学家Veselago首次假设具有“左手/负折射率”特性的超材料存在，并发表论文，认为这种材料同时具有负介电常数和负磁导率。Veselago在论文中预言了这种材料的多种特性，包括：不同于传统材料的正折射率，这种材料呈现出负折射率；该材料呈现电磁波的“左手”传播特性，即电磁波的电场、磁场和波矢构成左手关系，因此被称为左手材料。

但是直到2000年，首个关于左手材料的报告才问世。此后，Veselago的众多预测都得到了实验验证或广泛模拟。为了深入了解左手材料的物理原理和国防应用前景，美国DARPA国防科学办公室于2009年发布负折射率材料（NIM）项目，旨在深入研究“左手”传输物理特性以及负折射率，以扩展能够观测到这种现象的频段。研究人员已经确认了具有负介电常数和磁导率的共振射频结构中存在负折射，目前正探索这种材料在国防上的应用。

国防应用需要显著提高现有NIM的特性（带宽、损耗、运行频率等），并深入了解该材料电磁传输的物理特性。国防科学办公室NIM项目的详细技术目标包括：① 实验验证和深入了解负折射率材料的物理特性、反向群推论以及相位速率；②研究和演示利用负折射率材料进行亚波长成像；③拓展负折射率材料的工作频率范围；④了解和降低负折射率材料在实际应用中的损耗机制。

按照项目设想，负折射率材料取得的技术进步会形成多个国防应用，包括轻量、微型化射频结构，并提高成像系统的光学特性。

二、超材料设计独树一帜

采用遗传算法逐个筛选超材料微结构中的几何图案以获得最优模式；利用变换光学法可根据所需光线传播路径设计出光学超材料。

1．遗传算法设计宽带超材料[3]

2014年5月，美国宾夕法尼亚州立大学电子工程和材料科学系的研究团队使用遗传算法设计出可以在红外波段提供宽带吸收的特殊材料——超材料。这是第一次设计出覆盖红外光谱的超倍频程带宽材料。具有更宽吸收带宽意味着可以在很宽的波长范围内使材料免受电磁辐射，屏蔽仪器不被红外传感器发现，起到保护仪器的作用。

研究者研究了银、金、钯材料，发现钯可以提供更好的带宽覆盖。这种新超材料由硅衬底或基板上的叠层组成。第一层是钯，其次是聚酰亚胺层。在此层之上是钯丝网层。丝网有精致复杂的亚波长级几何图案，用于阻挡各种红外波长。只要合理设计丝网上比波长小得多的图案，叠层材料结构可以作为一个高效吸收器，能吸收以55°角入射到丝网上的90%的红外辐射。聚酰亚胺层覆盖整个吸收器。

研究者使用一种遗传算法设计该材料所需的丝网图案。通过一系列的0和1染色体来描述丝网图案，让算法随机选择图案以创建设计初始种群。该算法测试图案后只保存最好的并淘

汰其他。最好图案被调整为第2代。经过数代的优胜劣汰，选拔出来的好图案达到甚至超过了初始设计目标。随着时间推移，每一代的最佳图案都被保存。

如果没有遗传算法将无法得到一个覆盖倍频程的带宽。过去研究人员一直试图使用多个层覆盖的带宽，但多层难以制造和正确套准。超材料却能容易制造，因为它是简单的金属或塑料层，不需要复杂的逐层套准。聚酰亚胺透明层可用来保护丝网，也有助于减少波从空气进入装置可能发生的任何阻抗失配。遗传算法通常应用于电磁学，但是使用该方法设计超材料却是首次。

2. 变换光学设计超材料[4]

光学超材料由亚波长单元的均匀阵列所构成，具有设计所需的独特性质。但当设计拓展到非均匀阵列，将产生更多的特性选择，这为变换光学（Transformation Optics）打开了大门。与几何光学不同，变换光学的原理，是任何所需的电磁场光滑变形都可以通过对超材料适当的设计来准确实现。可以操纵亚波长阵列超材料内的电磁场，通过结构设计以任意方式改变电场线和磁场线的传播路径。比如，设计隐藏物体的隐形斗篷，先指定所需绕过隐藏物体的光路，再用变换光学设计满足光路的超材料参数，如尺度、单元个数、结构和形状。组成超材料的亚波长单元形成变换光学建构块，在可见光波段，每个单元必须小于400～700nm。对开发光学超材料而言，变换光学将成为首选设计工具。

三、超材料制备千帆竞发

如何制备大面积的超材料是研究人员关注的首要问题。依据对中国专利公布公告的检索，在871个超材料主题公告中，超材料制备方法占据96%，可见超材料制备方法的研究正处于百轲争流、千帆竞发的蓬勃发展时期。目前较为成熟的制备方法包括“图案第一”法、纳米转印法、剥离工艺、立体打印和电子束光刻。

1.“图案第一”法[5]

“图案第一”（Pattern-first）工艺是先制备一种有图案的牺牲层衬底，然后在衬底上重复沉积其他各层。此法受到超材料总厚度（几十纳米或更小）的限制，因此限制了可以实现的共振类型，以及最终的薄膜功能。实验表明“图案第一”的薄膜总厚度增加到300nm、沉积5个双层薄膜时，可以产生强烈的特征共振和明显的超材料特征。

2．剥离工艺[5]

2014年5月9日，新加坡科技研究局数据存储研究所验证了一种有前景的新型制备工艺——三层剥离（trilayerlift-off）工艺，可以生产大面积渔网超材料（fishnet metamaterials）。大多数光学超材料是由微小的重复金属结构组成。当有特殊频率的光照在结构上，可在每个结构内建立振荡场。这些场彼此共振从而产生所需要的集体行为。渔网超材料通常有几层垂直堆叠的重复单元，分布在较大的横向尺度上。因为在垂直和水平方向都有结构，被称为3维材料。

为实现上述结构，研究组采用了一种被称为三层剥离（trilayer lift-off）的工艺，在二氧化硅（SiO2）层上附着一个有图案的光刻胶牺牲层，在SiO2层下面涂复第2层光刻胶层。通过交替的图案形成和蚀刻步骤，实现了薄膜厚度大大超过薄膜上光刻的横向图案尺寸。三层剥离技术可以帮助研究人员更容易设计和制备出大面积3维纳米器件，使超材料应用成为现实。此工艺通常用于工业界很少用于实验室。

3．纳米转印法[6]