超材料研究应用介绍

1、超材料研究应用介绍【摘要】超材料领域研究，对国防建设和国家发展具有十分重要的战略意义，是未来科技兢争的核心。因此，要广泛普及相关知识,引起高度关注，集中力量突破关键领域研究,在新兴科技竞争中占得一席之地。【关键词】超材料;左手材料;光子晶体;研究应用我国在电磁黑洞、超材料隐身技术、介质超材料以及声波负折射等基础研究方面取得了多项成果，在世界超材料产业化竞争中占得先机。那么，何为超材料，超材料到底有看怎样的研究应用前景呢？一、超材料的概念及分类超材料是指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，它不存在于自然界。超材料能够以奇异的方式改变光的方向，包括让光在隐形物

2、体处弯曲等。超材料的成分并没有什么特别之处，它的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其微结构大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。超材料是一个跨学科的课题，囊括了电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等。超材料的奇异杼性使它具有广泛的应用前景，比如高接收率天线、雷达反射罩甚至是地震预警等。典型的超材料主要包括"左手材料""光子晶体""超磁性材料"和"金属水”等，本文重点介绍前两种桥斗。二、左手材料(-)左手材料的定义"左手材料”是指一种介电常数和磁导率同时为

3、负值的材料。电磁波在传播时，波矢K、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律，因此称之为“左手材料"。（-）左手材料的特点左手材料具有负相速度、负折射率、理想成像、逆Doppler蟠、反常Cerenkov辐射等奇异的物理性质。"左手材料"颠倒了物理学的"右手规律"，而后者描述的是电场与磁场之间的关系及其波动的方向。由于"左手材料”的显著特点是它的介电常数和磁导率都是负数，所以被称之为"双负介质"材料，通常也被称为"负折射系数材料"，或简称"负材料”。（三）左手材料的应用前景根据左手材料的奇

4、异特性，科学家已预言其可以应用于通信系统以及资料储存媒介的设计上，用来制造更小的移动电话或者是容量更大的存储媒体，等效的负折射媒质电路，可以有效减少器件的尺寸，拓宽频带,改善器件的性能。未来，左手材料将会在无线通信的发展中起到不可忽略的作用。（四）左手材料的发展趋势左手材料存在的困难是：材料制造技术制约了产业的发展，仿真手段不足,一些电磁规律认识不足等问题。其未来发展趋势是：利用横向磁化的铁氧体磁性材料在一定范围内可以实现负的磁导率特征;采用LDS技术制造金属导电图案，实现智能制造，绿色制造;采用增材制造（3D打印技术），实现左手器件低频化、克带化;左右手材料相结合制造左手器件;左手单元之梯度

5、材料的空间排列，实现电磁波调控。三、光子晶体（-）光子晶体的定义及分类光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，也称PBG光子晶体结构。所谓光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性的结构中传播，即这种结构本身存在"禁带”。光子晶体概念最初是在光学领域提出的，具研究范围已扩展到微波与声波波段，由于这种结构的周期尺寸与"禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的光子晶体的出现,使人们操纵和控制光子的梦想成为可

6、能。按照光子晶体的光子禁带在空间中所处的维数，可以将其分为一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体。（-）光子晶体的特点简单地说，光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其他波长的光通过。光子晶体是由不同折射率的介质周期，的E列而成的人工微结构。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波，当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构，能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。（三）光子晶体的应用前景光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构匕取简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。未来，光子晶体将会被广泛应用，如将会制造出高效光子晶体激光发射器、高亮度的发光二极管、光子晶体逻辑电路、光子晶体光纤以及由光子晶体驱动的光子计算机等。（四）光子晶体的发展趋势光子晶体广泛应用还需解决的一些问题是：三维光子晶体制作困难问题，解决随意在彳丑可位置引入需要的缺陷问题，制作高效率光子传导材料问题，如何将已有的电流和电压加到光子晶体上的问题等。光子晶体未来发展趋势是：与纳米技