揭秘智能可调超材料

揭秘智能可调超材料

近来，超材料的研发日益受到关注。一方面，对于超材料的新颖特性和物理现象的研究在不断深入，另一方面，基于超材料在军事和民用方面的实际应用也不断涌现和实用化。

实际上，在过去的十五年中，电磁超材料引起了人们广泛的研究兴趣。电磁超材料是由亚波长结构单元组成，具有自然界材料所没有的新颖电磁特性的人工结构材料。对于三维体材料用有效材料参数、而对于二维平面材料用有效表面阻抗来表征是超材料的特点。超材料直接和自由空间传播的电磁波耦合相互作用，无需通过波导或传输线来引导。根据电磁超材料工作的频谱范围，可以简单地将它划分为微波超材料、太赫兹超材料及光学超材料。电磁超材料最早是在微波频率段实现的，随后很快发展到从太赫兹到红外及可见光的几乎整个电磁频谱范围。超材料的研究已经远远超出了最初的负折射材料或者左手材料的范畴。在超材料的基础上，人们又提出了超表面、超器件等新的概念，并且研究领域已经从电磁扩充到声学、热学、力学等领域。

超材料在电磁波的偏振相位和振幅控制方面具有许多传统电磁材料和器件

无法比拟的独特优势，在新型电磁元件的开发方面具有巨大潜力。基于超材料，特别是平面超材料的光学元件，可以极大地减小传统光学元件的体积和重量，从而更加有利于小型化和集成化。同时，通过改变超材料结构单元的尺寸，可以使其工作在不同的波段。这在一些传统光学元件比较缺乏的光学频段（如中远红外或者太赫兹波段）具有尤为重要的价值。

智能可调超材料的发展对于超材料的应用有着重要的意义。可调超材料可以通过施加外部信号来改变超材料的电磁性质。这一方面可以改变和扩展超材料的工作频段，另一方面则为调制器等各种有源器件的开发提供了可能。目前可调超材料的机制主要有三大类，其一是基于电路的方法，在微结构单元中插入可改变电路阻抗的器件；其二是基于几何结构的方法，从物理上改变微结构的几何结构从而改变其等效参数；最后是基于材料特性的方法，组成超材料微结构单元本身就由可调材料组成。从调制方式来说，有热调制、电调制、磁场调制和光调制等。从被调制的电磁波特性来说，有振幅调制、共振频率调制、相位调制等。

调控微结构层间的相对位置实现可调超材料

超材料通常由亚波长的共振结构单元组成。尽管包括陶瓷、高折射率半导体在内的介质材料等都被用做制作超材料的基体，但大多数超材料的结构单元都是由金属构成。为了实现特定的电磁学性能，人们提出了多种超材料结构单元的设计方案，如开口谐振环、不对称开口谐振环、渔网结构、S形、Ω形，雪花形以及它们的互补结构等。超材料共振单元的电磁特性可以用多种模型来描述，其中等效电路模型可以较好地描述超材料的共振特性，尤其是微波金属谐振环结构。在该模型中，每个超材料结构单元都有一个分布电感和一个分布电容，超材料结构单元的共振频率平方反比于电容和电感的乘积。因此，如果能够通过一个外部信号改变超材料结构单元的电容或者电感，就可以改变其共振特性。

用电路方法来实现可调超材料最常见的是在每个构成超材料结构单元的谐

振环上加上一个具有可变电容的二极管，通过改变二极管的电容，结构单元和超材料的共振频率也会随之改变。这种类型的可调超材料主要用于微波波段。除了可变容二极管，加入PIN二极管和数字电位器也起到类似的作用，不过它们改

变的是电阻而非电容，在调控的便捷性和带宽控制上可以与可变容二极管相媲美，在设计超材料吸波体上是常用的手段。

在电路方法中被广泛应用的另一类器件是理想开关。射频开关可以在电路某两点间实现0阻抗和开路的切换，用MEMS开关可以实现这一功能。MEMS开

关的性能虽然优良，限制其应用的因素主要在于其较高的驱动电压（70~150V）以及成本。

另一应用在电路方法中的是所谓的有源非福斯特（Non-Foster）电路。福斯特电抗定理表明，对于一个一端口网络，其输入电抗或输入电纳对频率的导数总是正的。而非福斯特电路则不满足，即电路元件的输入阻抗或输入电纳对频率的导数为负。由此通过引入非福斯特负载可以实现宽频特性，这可以被看作是一种频率选择调控。

通过改变超材料的几何结构，即构成超材料的共振单元的形状大小等，或者结构单元之间的空间相对位置，同样可以对超材料的性质进行调控。前者主要使得每个结构单元的共振波长发生改变，后者则改变了结构单元之间的近场相互作用。当不同层的结构单元位置发生水平方向相对运动时，超材料的共振频率会发生改变。基于这种原理的可调超材料被称为可重构超材料。

可重构超材料中使用最为常见的是射频MEMS，得益于射频MEMS低损耗、高线性、高Q值等特性。利用射频MEMS不仅可以改变微结构的几何形状等参数，还可以改变基体的相关参数以及微结构和基体的耦合，从而改变超材料的共振频率。也可以通过热效应来改变微结构的倾角，从而改变入射电磁波的入射角，最终调控超材料的吸收滤波性能。在光学超材料中利用纳米金属棒的自组装来控制其对齐方向，从而实现超材料的可调谐性。利用微流控技术把水银注入腔体形成谐振环，并且调谐谐振环的参数从而实现可调超材料。如果应用于光频段，需要尺度更小的NEMS。

改变超材料谐振微结构的形状对于超材料的调谐提供了非常大的自由度，这也是超材料的性质主要来源于其组成单元的几何形状的核心诠释，但是材料的可调谐性也可以来自于材料组分本身，这在传统的功能材料中是基本的研究性质之一。通过调控微结构材料的介电性能，铁电材料、液晶和相变材料可以实现超材料的可调谐性；通过调控微结构材料的磁导率，铁磁材料可以实现超材料的可调谐性；通过调控材料的导电性，半导体、石墨烯等也可以实现超材料的可调谐性。

可调超材料对于可调滤波器、各种天线、散射参数的调谐（包括反射、透射和吸波）、空间控制及传播都有非常重要的潜在应用。尤其是随着最近提出的数字化和可编程超材料的提出，对于超材料单元实现数字化设计和可编程化设计，类似于从模拟电路到数字电路的飞跃，智能可调超材料也必将有着更为广阔的应用前景。同时也应看到，可调超材料在应用方面，受限于成本、大幅面制备等客观因素；在太赫兹和光频段对于新现象新物理的探索认识仍然不足；对于新的功能材料如石墨烯拓扑绝缘体等的应用也缺乏深入和广泛的研究；另外也赖于其他领域，如MEMS/NEMS、功能材料/智能材料等领域的发展为其提供必要的技术支撑。