超材料的研究进展与应用

□张文毓

中国船舶重工集团公司 第七二五研究所 河南洛阳 471023

1 超材料概述

超材料是指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，广义的超材料包括光子晶体、左手材料、超磁材料等。光子晶体（PC）是具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构。左手材料（LHM）是一类在一定频段下同时具有负磁导率和负介电常数的材料。超磁材料是利用软磁铁氧体的高磁化强度和硬磁铁氧体的高矫顽场特性的相互作用和耦合，进而获得具有高磁能积的磁性材料。除此之外，其它一些具有特殊人工结构的材料，也属于超材料的范畴，像电磁晶体、频率选择表面、人工磁导体、基于传输线结构的超材料、等离子体结构的超材料等。因此，可以理解为超材料的形成是人们通过各种层次的有序结构实现对种种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上块体材料所不具备的物理性质[1]。

超材料特殊的物理性能往往来自于它的特殊结构，因而人工设计制备不同的超材料结构成为该领域研究的重要方向。超材料的制备技术包括自组装技术、刻蚀技术和沉积技术，随着微加工技术的不断进步及三维打印技术的发展，三维打印技术也成为超材料制备的新途径。

目前应用较多的超材料制作技术可分为光刻类技术和印刷类技术。另外还有以电子束直写（EBDW）、蘸笔印刷（DPN）、聚焦离子束（FIB）等为代表的直写类技术也可以用来制备超材料[2]。

超材料可用于功能性器件的开发，如纳米波导及有特殊要求的波束引导元件、表面等离子体光子芯片、亚波长光学数据存储、新型光源、超衍射极限高分辨成像、纳米光刻蚀、生物传感器及探测器的应用和军用隐身材料等。

2 国内外超材料研究现状

2.1 国外超材料研究现状

超材料的概念最早由俄罗斯科学家Veselago在1968年提出。超材料领域研究中处于领先地位的国家和地区主要是美国和欧洲。2000年底，美国国防部“国防高级研究计划署”联合美国一些大学和研究机构，开展了关于超材料的研究计划，为超材料技术的广泛应用奠定了基础。欧盟也联合欧洲24所大学共同开展了联合协调项目[3]。

超材料是一个新兴的重点发展领域，得到美国、欧洲等发达国家的重视和支持。美国国防部长办公室把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，美国国防高级研究计划局（DARPA）把超材料定义为“强力推进增长领域”，美国空军科学研究办公室把超材料列入“十大关键领域”。2015年，美国国防高级研究计划局在超材料领域的投资增长了75%。

当前，超材料主要的研究方向集中在以下几方面：①新型超材料及其功能的设计、性能优化及相关仿真方法；②在器件制造方面，由于受亚波长特征尺寸的限制，在光频波段进行器件制作需要高技术水平；③相互作用研究方面，由于超材料的大多数性质都与表面/界面波有关，进一步探索这种近场波与自由空间电磁波的耦合，以及其材料内部的传播性质，需要不断更新理论概念、分析方法和实验测量等技术[4]。

左手材料也被称为双负媒质或者负折射率物质，左手材料具有介电常数与磁导率同时为负值的电磁特性，这与自然界中的大多数材料有着直接的差异。2001年，美国麻省理工学院的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料，并通过实验观察到了负折射现象。左手材料由此引起了科学界的浓厚兴趣，对其基本理论和实验的研究正不断完善，已成为近年来物理学和电磁学领域的研究热点。

近年来，具有纳米尺寸的光子晶体超材料已经发展成为科技工作者研究的焦点。光子晶体是指具有光子带隙（PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG晶体结构。它是由电子学上的概念类比得出的。在固体物理学的研究中，晶体中呈周期性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有特殊的约束作用。在介电常数周期性分布的介质中，电磁波的一些频率是被禁止的，光子晶体也类似。通常，这些被禁止的频率区间为光子带隙，也称光子频率禁带，将具有“光子频率禁带”的材料称作为光子晶体。

电磁超材料也称为新型人工电磁材料、新型人工电磁媒质、特异媒质，是通过人工方式加工或合成的、具有周期或准周期结构以及特异电磁性质的复合材料，兴起于二十一世纪初。超材料具有三个重要特征：①具有特殊人工结构；②具有超常物理性质；③电磁性质往往主要取决于材料的人工结构。

目前，美欧军方看好超材料有可能在隐身技术、武器装备中微波器件小型化和小型高效天线上实现突破，这对提高通信和电子战能力尤为重要，因此积极支持超材料相关的基础和预研研究[5]。

2.2 国内超材料研究现状

随着中国“十三五”规划纲要的实施，超材料已被列为当前应大力发展的领域。超材料技术将推动中国尖端装备的前沿研究和实际应用，将对这些领域产生颠覆性的影响。中国超材料研究开始进入一个全面跃升的重要时期，正处于由突破性研究成果向实际应用转化的关键阶段。

在短短的几年内，研究人员在各种超材料中已观察到许多奇特的电磁性质（从光频到微波），比如左手材料、隐身斗篷、电磁黑洞、透射增强材料等。我国相关机构也在积极开展超材料技术的研发工作。国家自然科学基金、国家973计划、国家预研技术等均在超材料的基础研究方面给予了一定支持。目前，我国在超材料的基础研究领域已积累了一批有影响的研究成果，形成了在国际上有一定影响的研究队伍。其大体上可划分为以清华大学、中国科学院物理研究所等为代表的北方集团，以东南大学、浙江大学、复旦大学、南京大学等为代表的华东集团，以深圳光启高等理工研究院所代表的华南集团。总体上来看，国内进行的超材料基础研究总体水平与国外的差距相对较小，在试验研究、材料制备与器件化研究的广度和技术水平等方面差距相对较大。

2.3 超材料研究进展

超材料在基础研究和关键技术两方面有相当好的研究基础。超材料的优势在于突破传统材料的束缚，构造出功能新颖且现有技术又更易制备的电磁功能结构。纵观其发展历程，超材料一直在向着高应用性的方向发展。应用领域从微波到红外再到光波段，不断扩展适用频段。制造工艺从印刷电路板工艺、机械加工工艺到三维打印和微纳制造，既可以加工毫米级大尺寸超材料，亦可以加工纳米级高精度超材料。结构功能涉及电磁波调控、传输、吸收、能量转化等诸多方面，展现出了强大的电磁调控能力。展望未来，跨尺度、多材料的超材料结构制造技术将引领未来超材料的发展方向，而具有复杂结构一体化制造能力的三维、四维打印技术将成为超材料结构制造的核心技术[6]。

超材料所涉及的内容很广泛，包括一些光学超材料、声学超材料（与弹性振动波相应，用于操纵和利用声子传播）、力学超材料（吸声介质，超黏滞材料）、热学超材料（调控热能的传输与转换）、声子晶体（超高精度控制单个声子，进而对动态温差调控）等。

根据微结构单元类型和应用范围的不同，超材料的关键技术可分为以下六大重点方向。

（1）电磁超材料。电磁超材料包括数字可编程超材料、计算超材料、光开关超材料。这类超材料利用其微结构单元类似于计算机的0、1开关属性，进行非周期阵列，以实现编程可控的响应输出。电磁超材料预期在车载雷达扫描系统、移动通信天线、电动机用新型磁性材料和电磁兼容中所使用的高性能吸收与屏蔽材料领域获得推广。新型的频率不敏感左右手复合漏波扫描天线具有宽波束扫描、高增益和易生产的优势。此外，LED头灯和红外成像夜视系统也是超材料的应用研究方向。

（2）机械超材料。机械超材料源于声学超材料弹性波的传播行为过程中。按所调控的弹性模量不同可分为：超强超硬超材料、可调节刚度超材料、负压缩性超材料、反胀及拉胀超材料、智能超流体。

（3）热学超材料。热学超材料是近年来才提出的新型热能利用和调控的超材料。自然界中的传统材料，其热导系数在空间均匀分布，热量从温度高的一端直线流向温度低的一端，这是人们所熟知的热传导模式。然而，如果能实现空间热导系数的非均匀分布，通过对宏观热扩散方程的空间变化，则可以实现对热流方向的调控作用。这种通过人工改造而实现热导系数非均匀分布的材料被称为热学超材料。热学超材料是可感知外部热源、主动响应的人工复合材料与结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换。一般可分为两大类：控制热流和利用热能；用声子进行信息传输和处理。热学超材料正在被研究用于控制热量的定向辐射。

（4）耦合超材料与隐身技术。现有隐身技术是通过减小作战平台对入射电磁波或声波的散射截面进行隐身，而超材料则不再是反射或吸收波，而是改变波的传播路线，使波发生弯曲，以达到绕射传播的目的，从而实现隐身。因为极少有能量产生后向散射，超材料可以达到最佳的隐身效果。在卫星通信行业，借助智能电磁耦合超材料，采取全息技术实现对目标卫星的动态电子扫描对准。

（5）新型传感型超材料与智能蒙皮。超材料的奇异性能在蒙皮技术领域得到快速拓展，在传感器技术领域已具有相关技术储备。

（6）超材料制备与基因工程。在超材料新型设计与仿真中，大量的软件用于超材料的设计和计算。但是每个软件都有其局限性，只能用于某些特殊条件下的计算。同时，对于不同学科的超材料进行研究，材料的制备、表征和测量等实验技术相差很大。针对以上超材料发展的状况，很有必要将超材料纳入材料基因组计划，从而建成完整的超材料高通量的实验平台，为超材料的理论分析和计算提供实现的技术基础，并为超材料的应用开发提供数据和资料。这将大大加快超材料从基础研究向应用研究转化的速度[7]。

3 超材料的应用

目前超材料可以应用于电磁领域、光学领域、声学理论、热学理论，行业包括通信行业、医疗行业、航空航天行业、军工行业、集成电路板（IC）行业，例如红外线雷达、吸波材料、纺织涂层等等，超材料还有很大的发展空间。从电磁也就是微结构的角度对超材料进行理解，再向电磁波进行推广，可以衍生出编码超材料、数字超材料和可编程超材料。从航天工程实践等出发，目前进行的研究有有序微结构，包括填充材料的光晶体，当填充不同材料后，光晶体有了很多灵活性，加入电场调控，这样就可以做成人们想要的材料。航天领域的探索还包括具有激光防护作用的智能热控材料。光子晶体在红外波段同时具有高反射率和高辐射率，可作为高超声速飞行器的隔热材料。超材料在通信、隐身领域也有很多重要的工程应用。这里面主要包括了隐身和电磁波的波数汇聚方面的技术，在实物方面则体现为天线、隐身装备等。以陶瓷基为基础的超材料的研究目前也有了一定进展，其发展方向主要是提高材料的强韧性，实现纳米吸波界面的效应，制造出抗氧化、强韧、宽频吸波型陶瓷基复合材料[8]。

超常的物理特性使得超材料的应用领域十分广泛，其应用范围涵盖了工业、军事、生活等各个方面。尤其是电磁超材料，对将来的通信、光电子、微电子、先进制造产业，以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术产生深远的影响。

超材料可以实现那些传统材料很难，或是不可能实现的电磁特性，可以获得普通材料没有的物理性质，如左手特性、逆多普勒效应、逆折射效应、逆Cherenkov效应、完美透镜效应、逆Goos－Hnchen位移等。在这些基础上，人们发现了超材料广阔的应用前景，如超分辨成像、小型化天线、电磁波隐形、电磁吸波体、高灵敏探测器等。

3.1 超材料在电子元件中的应用

3.1.1 基于左手材料的新型微波器件

左手材料是近年来新发现的某些物理特性完全不同于常规材料的新材料，在电磁波某些频段能产生负介电常数和负磁导率，导致电磁波的传播方向与能量的传播方向相反，产生逆多普勒效应、逆折射效应、逆Cerenkov效应以及“完美透镜”等奇特的电磁特性。这些特性可望在信息技术、军事技术等领域获得重要应用。左手材料的这些特性使其在微波领域具有广阔的应用前景。

3.1.2 隐身斗篷与新型抗电磁干扰器件

隐身斗篷的基本原理是：通过在物体表面包覆一层具有特殊设计的，具有一定介电常数和磁导率分布的材料，这样入射光或电磁波将被弯曲，并且绕过包覆层，从而出现隐身人的效果。通俗地讲，身穿隐身斗篷的人就好像在空间中挖开了一个洞，任何光和电磁波将直接穿透这个洞，从而不会看到斗篷中隐藏的物质。任何电磁信号都可以更为有效地绕开干扰和阻隔，从而保持信号的完整性。因此，隐身斗篷在抗电磁干扰器件中具有广阔的应用前景。

3.1.3 光子晶体光纤与光子晶体天线

光子晶体为各类无源光电器件的制备提供了理想的材料。已实现产业化的光子晶体光纤是目前应用最广的光子晶体产品。另一个典型例子是微波带隙天线。传统的微波带隙天线制备方法是将天线直接制备在介质基底上，这样就导致大量能量被基底所吸收，因而效率很低。例如，对一般用砷化镓介质作基底的天线反射器，98%的能量完全损耗在基底中，仅2%能量被发射出去，同时造成基底发热。利用光子晶体作为天线的基底，此微波波段处在光子晶体的禁带中，因此基底不会吸收微波，这就实现了无损耗全反射，把能量全部发射到空中[9]。

3.2 超分辨成像

2000年，Pendry提出利用负折射率材料可以克服传统光学成像所遇到的绕射极限问题，使在成像面上原本的不可解析变成可解析，并对此观点进行了数值模拟。在此理论基础上，Fang等于2005年设计了一种银膜超级透镜，利用波长365 nm的光源分辨出了60 nm的线宽，实现了λ/6的分辨率。2014年，崔铁军课题组发明了一种基于超材料的折射率梯度平板圆柱形结构聚焦透镜，将超材料在超分辨成像中的应用推向了一个新高度。2015年，史绍蕊等利用超材料单元通过三维打印的方法制作了一种龙伯透镜反射器。

3.3 超材料在导弹装备领域中的应用

3.3.1 天线领域

随着雷达、通信等装备在导弹领域的应用需求不断增加，作为关键部件的天线，尤其是有源相控阵天线技术的发展变得更加重要。超材料以其奇特的电磁特性，在天线设计领域引发重大技术革新。雷达天线是超材料特种技术的主要应用方向之一，应用方式是以超材料替代传统抛物面天线的反射面和设计共形天线等新型态雷达天线。

3.3.2 无源器件领域

超材料可广泛应用于各类微波、光学器件和天线，如微波平板聚焦透镜、滤波器、耦合器、移相器、功分器、反相波导器件、放大器、谐振器等。这些器件可广泛应用于各种武器装备中，如可见光波段超材料能够制作出突破衍射极限的透镜，也能够制造出超灵敏单分子探测器，用以探测各种深埋于地下的武器。

此外，光子晶体在光纤、微波天线、超棱镜等方面也都有应用。这些新型光子晶体器件是大规模集成光路的基础，目前的研究已经开始向光子器件集成方向推进，这必将对人类的生产和生活产生深远的影响。

3.3.3 天线罩设计领域

有试验提到将左手材料平面天线罩和阿基米德螺旋天线结合起来进行测试，平面天线罩加入左手材料后，天线的波束得到汇聚，增益大约提高了5 dB。因此可以把超材料应用在雷达、通信等系统的天线罩上，在不改变天线罩外形的同时，可提高天线增益和方向性。

3.3.4 电磁兼容设计领域

随着导弹制导系统、控制系统、通信系统的发展，电磁兼容问题也逐步成为导弹装备设计中的一个重要问题。超材料在电路中可以提高电子设备的电磁兼容性，实现了电路各部件间的去耦合，如抑制放大器的谐波影响，抑制高速数字信号线间的串扰等。

3.3.5 隐身设计领域

2006年，美国《科学》杂志报道了微波隐身衣，这一隐身衣的原理就是利用超材料获得特定分布的折射率，实现了对电磁波传播方向的控制。光学和红外隐身同样是隐身领域的重要技术。随着探测手段的丰富，光学和红外探测也成为一种重要的预警探测手段，那么红外隐身技术对导弹装备就显得非常重要了。由于光学的全频段隐身目前还难以做到，随着研究的不断深入，超材料的应用将会向更高频段延伸[10]。

超材料未来的发展方向如下：①对超材料的工作频段和方向控制的研究；②超材料的产业化发展；③新型超材料及其功能的设计、性能优化及相关仿真方法；④不同超材料之间相互作用的研究。

4 结束语

超材料不但颠覆了人们长久以来的思维定势，还极大地拓展了物质属性或材料参数的可设计域，这无论是对于力学的结构设计，还是对于其它学科的发展都具有极其重要的意义。

[1]王霞，张冉冉，吕浩，等.超材料的发展及研究现状[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2016，37（2）：119-126.

[2]杜云峰，姜交来，廖俊生.超材料的应用及制备技术研究进展[J].材料导报，2016，30（5）：115-121.

[3]江洪，王微，许露.超材料研究及应用发展趋势[J].新材料产业，2014（9）：9-11.

[4]王总，朱文君，唐玲.超材料技术发展概览[J].军民两用技术与产品，2012（7）：27-29.

[5]冯一军，朱博，徐培华，等.电磁超材料在微波吸波材料中的应用探索[J].中国材料进展，2013，32（8）：473-480.

[6]田小永，尹丽仙，李涤尘.三维超材料制造技术现状与趋势[J].光电工程，2017，44（1）：69-77.

[7]于相龙，周济.智能超材料研究与进展[J].材料工程，2016，44（7）：119-128.

[8]田恬.超材料：科技突破新机遇[J].科技导报，2016，34（18）：79-80.

[9]周济.超材料（metamaterials）在电子元件中的应用[J].电子元件与材料，2008，27（9）：1-4.

[10]刘春义，冯拓宇.超材料及其在导弹装备领域中的应用[J].飞航导弹，2013（3）：81-85.