论文翻译——柔性超表面超材料

柔性超表面和超材料：微、纳材料及其制备工艺Flexible metasurfaces and metamaterials: A review of materials and fabrication processes at micro- and nano-scales

Sumeet Walia,Charan M. Shah,Philipp Gutruf,Hussein Nili, Dibakar Roy Chowdhury,Withawat Withayachumnankul,Madhu Bhaskaran, and Sharath Sriram 三碗译

摘要：使用柔性基板的超材料具备可弯曲、拉伸、旋转的特性，这为电磁波的控制提供了

新的方向，并且为新功能和设计的研发提供了依据。本文综述了基于柔性可塑基板的THz、可见光频段的超材料及其加工技术，并且提及了设备的调谐方法。在论述加工工艺及处理技术之后，文章中给读者总结出了适合柔性超材料基板的电磁和机械特性，并提到了用于实现超材料可调谐性的新方法。把超材料变成可实际应用的设备已是大势所趋。

引言：超材料是一种亚波长工程结构的电磁材料，通过特殊设计，它可以展示出入射电磁

波电磁的耦合。这让超材料具备了一些特性，比如异常反射及折射、完美吸波和亚波长聚焦等。但是，由于缺少稳定可靠的调谐技术，超材料广泛应用的脚步被长期的制约着。可协调性可以通过操作控制材料和入射波的交互作用来得到，以此来达到所需的波的传播、反射及吸收。尽管超材料设计的几何可测性给了超材料过去几十年的辉煌，如果所使用的材料是柔性的，对于t Hz方面的应用，如隐身、传感、超透镜（一种拥有在衍射极限下分辨率的透镜）、芯片上光子及光电子器件、完美吸波器和能量收集可以得到很好的改善。柔性器件依赖于较低的表面能量复合材料而实现，如聚二甲基硅氧烷橡胶，它可以粘附在一些等角的表面以便组合到弯曲的表面、表皮或者包装材料上面，而不仅仅是用在坚硬平整的面上。超材料的柔性表现可以使它来做有轻量透明要求的物体的包装。同样的，超材料的应用打开了一个新的篇章，如遥感技术、可调光学频率谐振器等。柔性也可以用来获得可调的超材料，这与材料基片特性紧密相关。另外，功能超材料与合适基片的结合，有望把t Hz阶超材料从二维设计带到三维结构上去。拥有柔性、可塑形基片的超材料也可以用在不平整的表面上。

如何有效拓展超材料这一优势，基片介电常数是关键。同时，超材料的这种结构可以调谐及加强波的传输或反射响应。同样地，将传统的微纳技术应用在这种柔性可塑形基片上也展现出很大的突破：造出了可以轻松放进人体的传感器、覆盖不平整表面的隐身层、负指数材料、生物分子传感器、等离子设备和吸波器。

关于这个主题的近期综述突出了超材料重要意义的发展潜力和合成技术的发展态势。刘等研究人员所发表的一篇关于亚波长超材料综述了亚波长可调谐超材料，它的可调谐性由机械形变和晶格位移而产生。同时，另外的文章也综述了基于近场耦合和非线性原理的应用的可调谐性。另外还有很好的文章包含了别的方面，如：设计、激励、超材料的机械形变以及可调谐能力的存在。然而，据我们所知，并没有一篇全面综述了柔性超材料基片特性、加工及调谐科技的文章。

本文论述了使用柔性可塑形基片来调谐超材料的谐振频率，批判地比较了各种应用了柔性基片和复合材料材料的电磁及机械特性，评估了包含近期3D方法在内的柔性超材料的精确制造技术。最后，展望未来，引出基于弹性材料的应用：调谐的可逆性。

超材料中的柔性基片

柔性基片给探索由机械形变引起的超材料特性提供了理想的平台。柔性材料在超材料中的应用所展示出的新功能引起了世界范围的关注。这种弹性基片之所以引起人们特别的兴趣在于它的可以通过机械形变而得到很大范围的频率调谐的特性，因此可以摒弃传统上为达到

同样目的所需的外部激励和偏压。用在弹性基片上的共鸣器结构展示出对结构因子很高的敏感度，它可以对很小的尺寸改变而很容易做出响应。这种机械调谐超材料已被证实应用在了无线传感装置、生物分子传感装置及吸波器上。

在超材料中普遍应用的弹性基片是聚二甲基硅氧烷橡胶和聚酰亚胺，主要是因为它们在柔性电子方面的广泛应用。还有一些其他的柔性基片如Metaflex （使物体在较长波长中隐身）、聚乙烯萘、聚对苯二甲酸乙二醇脂、聚甲基丙烯酸甲脂和聚苯乙烯。

电磁特性

尽管超材料的电磁特性继承于亚波长谐振器的设计，但这也不排除超材料的成分对其的影响。为了优化超材料的电磁特性，基片的选取以以下要素为基准：1，低介电常数，用来维持谐振强度，形成宽带超材料；2，低吸收（吸收系数），使透过或沿着基片传播的波强度最大化。选用低的折射率可以减小基片上的反射损失。折射率n 和介电常数ε有着密切的联系：ε=

n 。一些常用复合材料基片的重要电磁特性展示在表1里面。

工艺和机械特性

复合材料可以提供广泛的可选特性来制备合适的、大面积的、低价的柔性超材料。各种各样的复合物基片被研究用来满足各种微波频率的弹性超材料的设计。通过旋转涂层、热处理、微加工技术等方法，这些弹性复合材料可以很轻易的加工出来，从而用于超材料基片的选择。微纳加工技术如光刻（接触式、可见光、软光刻和掩模光刻）、激光刻印、制模、铸造和转印都被证实已经用在基于复合材料的超材料中了，关于这一方面我们将在后面做更详细的讨论。

基片的机械特性（其杨氏模量为基准）对于确定它们在可机械调谐超材料的发展中的活性十分的关键。具有较低杨氏模量的基片可以承受更大的机械形变，具有很好的可逆性及可重复性，因此可以承担更基础的调制及更高要求的谐振模式。然而，制造工艺对于柔性基板的选择有着特殊的要求。这些要求中包含了高温沉积和退火的需求以及需要满足在高度平坦表面来进行光刻或者类似的刻图技术。表1中列出了一些对于超材料常用的复合材料基板的机械特性。基于实践应用和工作频率的机制，具有低吸收系数和期望的机械特性的柔性基板将会担当重任。

超材料制造工艺中的复合材料

在多种复合材料被利用的同时，有三种复合材料由于它们本身的特性而特别的受研究者的欢迎。这一部分我们将讨论这几种材料的主要特性及其限制。

聚二甲基硅氧烷

聚二甲基硅氧烷是一种弹性聚合物，有其独特的属性如低能表面、生物相容性以及良好的韧性和弹性。通常它的工作温度在-50到200摄氏度。作为一种柔软的柔性复合材料，聚二甲基硅氧烷可以很容易的与非平整表面结合，并且具有很高的一致性。它对传统的和像软光刻和压印这样的先进的微纳加工技术的兼容性更加的突出了它的优势。聚二甲基硅氧烷的

比较低的杨氏模量（7.5*10-4GPa ）和低的吸收率（13cm -1

//1 THz ）的特性让它成为了一种很适合柔性、可调谐超材料的基片。

它的高弹性的特性（最多达120%可逆的拉伸）使其成为实现超材料机械调谐的可行的一种基片。它独有的特性和比较宽波段的透明性让它可以满足超材料对宽带宽的应用。它的低能表面这一特性已经被用在有效的传输透明氧化物如氧化铟锡和氧化锌，它们展现出