超材料研究及在国防领域的应用前景

黄庆红 孙强

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

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傳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，发现可以钯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（trilayer lift-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 liftoff）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]

2014年第3期《先进光学材料》介绍了美国中佛罗里达大学光学和纳米技术专家们的研究成果——工作在可见光谱的长列多层3维超材料。通过使用纳米转移印刷（nanotransfer printing）法，可以改变周围物体折射率从而控制光的传播。纳米转印技术制备了金属/电介质复合薄膜材料，具有纳米图案的薄膜相互层叠形成3维结构，能够在可见光谱范围工作。大面积制备超材料再跟随一个简单的印刷工艺，可以实现基于设计的纳米级光学响应新型器件。

4.立体打印技术[7]

2014年4月，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所公开了一种立体打印技术制作3维周期结构超材料的方法。这种属于微细加工和微波技术领域的制备方法，解决了现有制作超材料方法中精度差、耗时长的技术问题。此方法利用3维建模软件分别建立超材料中金属材料结构的3维CAD模型和树脂材料结构的3维CAD模型，再将3维CAD模型转换成STL格式文件，输入双材料立体打印机，采用不同材料同时打印超材料的金属材料结构和树脂材料结构，得到3维周期结构超材料。此方法可以制作任意三维周期单元任意面型的超材料，具有制作精度高、速度快、工艺简单的特点。

5.电子束光刻[8]

2014年3月，新加坡南洋理工大学提供了一种生成在可见光-红外范围内可操作的超材料方法。具体步骤包括：①在基板上沉积导电材料层；②在导电材料层上形成电子束光刻胶层；③利用電子束光刻使光刻胶层图案化以形成有图案的基板；④将贵金属层沉积在有图案的基板上；⑤除去光刻胶。此方法提供了一种在可见光-红外范围内可操作的超材料，此超材料在基板上具有约20～40nm的最小线宽的裂环谐振器。此外，这种方法还提供了一种用于化学或生物传感的透明光子器件或传感器，此透明光子器件或传感器包含所述超材料。

四、超材料在国防领域的应用前景广阔

随着超材料研究的不断深入，其潜在应用范围不断扩展，已从微波发展到太赫兹以及光波段。令人兴奋的新型应用如高效平面天线、能量采集器、隐身材料、太赫兹通信以及力学隐形衣正在不断涌现。平面天线可以应用于军事通信卫星，能量采集器可为军用传感器网络提供能量，而隐身材料可制作雷达难以识别的隐身飞机外壳涂层等。

1.用于平面天线的超材料[9]

2014年4月16日，英国BAE系统公司和伦敦大学玛丽女王学院合作创造了一种制造平面天线透镜的新颖超材料，可使电磁波通过透镜聚焦，从而实现提高天线增益和增强方向性的目的。这一突破可能使飞机、舰艇、无线电和卫星天线的设计产生划时代的变革。

平面透镜具备了曲面透镜的电磁属性，同时保留了同样的宽带性能。这种复合超材料透镜能够嵌入飞机的蒙皮中，相对于当前的机载天线这是一个重大飞跃。使用新型平面天线技术，可以用一个天线替换过去不同频率工作的多个天线。BAE系统公司由此成为世界上第一个成功将变换光学融入超材料的企业。超材料天线具有质量低、灵敏度高和方向性好的优点，是雷达、战斗机、GPS导航系统的必备材料。

2.捕获微波能量的超材料[10]

2013年11月7日，美国杜克大学普拉特工程学院设计了一种能量采集器，可调谐捕捉到的微波信号。能量采集器的关键在于应用了超材料，其人工设计结构可以捕捉各种形式的波能并调谐为可用能量，其能量转换效率接近于太阳能电池。根据2013年12月的《应用物理快报》，此无线能量采集器件可将微波信号转换为直流电压，为手机电池或其他小型电子设备充电。

能量采集器工作原理与将光能转换为电能的太阳能电池相似。这种通用能量采集器可以采集其他能源的信号，包括卫星信号、声波信号或Wi-Fi信号。研究人员设计了可捕获微波的电路，用电路板把由玻璃纤维和铜导体组成的5个超材料结构连接在一起，可将微波转换为7.3V的电能。相比之下，用于小型电子设备的通用串行总线（USB）充电器只有5V电压。研究目标是利用超材料结构电路实现37%的最高能源效率，堪与太阳能电池相比较。此外，超材料结构电路还可用于其他类型的能量采集，如振动能和声能。

超材料能量采集器还可以制作到手机上，在闲置时允许手机无线充电。依据此原理，在附近无传统插座可利用时，手机使用者可以从邻近的手机信号塔采集能量。

杜克大学的工作验证了一种简单而廉价的电磁能量采集方式。设计的奇妙之处在于基本构建块是独立、可添加和删减的。设计者可以简单地组装多个模块以增加捕获的能量。例如，可以组装一系列的能量采集模块，捕捉一组已知的穿越头顶上空的卫星信号。信号所产生的能量可以驱动偏远地方，如山顶或沙漠的一个传感器网络工作。

3.具备隐身功能的超材料[6]

2014年3月31日，美国中佛罗里达大学科学家创造了被称为超材料的人造纳米结构，可以使光弯曲。在一个物体周围控制和弯曲光线从而使肉眼难以看到物体，这是科幻小说中隐形斗篷的理论依据。现实中利用超材料制作隐形斗篷还面临巨大挑战。此研究可能将克服这一障碍。

因为天然材料不可能将光线弯曲，科学家创建了人造纳米结构超材料来完成此重任，在3维空间通过结构操纵、控制电磁响应将实现对光的精确控制。利用此技术可以创建具有所设计的光学特性的更大面积的超材料，以便制造现实可用的器件。比如开发大面积超材料吸收器，使战斗机隐身于探测系统，不被雷达发现。

4.寬带太赫兹通信用超材料[11]

2014年1月17日，美国能源部艾姆斯（Ames）实验室的科学家验证采用超材料可产生宽频带太赫兹（THz）电磁波。此发现将有助于开发无损成像和传感技术，使THz速率的信息通信、信息处理和存储成为可能。

THz电磁波位于电波（如微波和无线电波）和光波（如红外和紫外波）之间的中间频带。利用THz波可以加速电信技术发展，为理解光子学的基本性质开辟新天地。但是如何有效地产生和探测THz波的相关技术难题限制了其使用范围。为了应对这些挑战，艾姆斯实验室开始尝试自然材料以外的可能解决方案。因为超材料表现出自然界所不存在的光学和磁学性质，实验室开始采用人造超材料。

德国理工学院创建了由特殊类型的元原子（Meta-atom）组成的分裂环谐振器超材料。U形分裂环谐振器显示出在THz到红外光谱内对任何所需频率波的强磁响应。

从事超快速激光光谱技术研究的艾姆斯实验室，设计了飞秒激光实验，证明从单一纳米厚度的超材料可发射THz波。超短激光脉冲与超材料不同寻常的特性相结合，可以使发射极厚度显著降低，从而高效率产生宽频带THz波。

研究组采用1.5μm通信波长验证其技术。调整超材料中元原子尺寸便可定制产生THz波。从原理上说，可以将此技术扩展到全部THz频段。更重要的是，实验室研发的超材料THz发射极仅有40nm厚，而以往传统发射极厚度是此超材料发射极的数千倍。此技术为填补THz技术差距提供了可能的解决方案。方案解决了THz发射极技术的4个关键挑战：效率、宽带频谱、体积小型化尺寸和可调谐性。

5.避免物体被触摸到的隐形衣[12]

2014年6月，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）科学家成功创建一个装置，物体放于其中难以被触摸到。该研究成果发表在《自然·通信》杂志上。在过去几年，科研人员已经开发出各种各样的物理隐形衣。例如光学隐形衣使对象难以看到，而其他类型隐形衣可以让热或声音不受影响地穿过。KIT科学家开发出一个全新的力学隐形衣，它使对象难以触摸到。

隐形衣由聚合物超材料制成，其特性取决于空间结构。在需要被隐藏的对象周围建造此结构，结构中力量分布依赖于所处位置。开发力学隐形衣的最大障碍是将精密组件在一定尺寸内完整排列。此处的超材料是一种亚微米精度结构的晶体材料，由针尖接触的针形锥体组成。接触点的大小通过准确计算以获得所需的力学性能。在此结构中，手指或测量仪器无法感受到结构的存在。

在制备隐形衣时，一支硬圆筒插入到底层。被隐藏的对象置入圆筒腔，如果一个轻质泡沫或多层棉覆盖于硬筒上方，将很难触碰到硬筒，但作为一种形式仍然可以感觉到。超材料结构引导触指的力量使得圆筒完全被隐藏。这就像在安徒生的童话故事《公主和豌豆》中，尽管床垫很厚公主还能够感觉到床垫下的豌豆。但使用新型超材料，只需要薄薄一层床垫足以让公主睡得好。

这种力学隐形衣的实现相当复杂。当定义了所需的力学特性后，利用数学方法推导出物理基本方程，以对超材料的结构得出结论。使用此方法可以设计出自然界不存在的材料，例如难以压动的僵硬固体，但柔软的可用剪刀剪。超材料由聚合物制备，采用KIT学院的“剥离纳米划痕”（spinoff Nanoscribe）激光直写法，实现了长度几个毫米的完整样本要求精度。

力学隐形衣虽然还在纯粹的基础物理研究阶段，但是将会为近几年的国防应用开辟一条新路。采用这种自由选择力学特性的超材料，可以研制出隐藏电缆管道的非常轻薄但很舒服的野营垫。

截至目前，围绕超材料的研究大多属于理论探讨和实验室样品研制阶段。进一步的研究将会为超材料提供更广阔的国防电子设备应用空间，比如工作在可见光到红外甚至更长波段基于超材料结构的石墨烯晶体管、用于可见光成像与太赫兹成像的CMOS数字图像传感器、提高增益降低成本的微带贴片天线、超材料频选表面制成的卫星天线、高效薄膜太阳能电池、光谱检测分析设备等。根据美国Lux研究机构的预测报告，超材料在未来10年将得到广泛应用。

参考文献

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