浅析三维超材料在光电领域的制造应用

张颀

摘要：三维超材料在光电领域已经进行很多应用，本文从超材料设计原理、三维超材料制造工艺以及在光电领域的应用进行阐述。

关键词：三维超材料；光电；制造

据外媒报道，法国国家科学研究中心和波尔多国立高等化学物理学院等机构的研究人员运用物理化学过程以及微流体技术，把相关过程和技术结合起来，研发出了世界上第一个三维超材料。三维超材料有其自身特殊优势，在光电制造领域应用前景广泛。

一、超材料设计原理

超材料从本质上讲，是一种单元结构尺寸远远小于工作波长的人工周期结构，而且具有普通材料所没有的一些超常规物理特性，比如：负折射率、逆多普勒效应等。材料的电磁性质取决于其单元结构，而不是材料本身特征。通过改变单元结构的形態和分布，可以很方便调控其电磁方面特性，从而进一步实现人工电磁波传播，所以超材料在许多领域，如通信技术、光学成像等方面都有着很好的前景。

一般来讲，可以根据材料构成不同将其分为两个大类，分别是电介质型和金属谐振型。电介质型是有电介质材料来实现的超材料结构，它具有许多优点，如构成简单、损耗小、各向同性等特点。通过控制超材料单元结构的几何参数，并设计结构使内部产生所需要的电磁参数分布，来产生电磁波的弯曲、增强、汇聚等，达到控制电磁波的目的，可以实现雷达天线、电磁黑洞等功能器件。金属谐振型是通过金属连续线、分割线和开口环结构等单元结构对射入电磁波的磁场量产生磁谐振响应，以获得负等效磁导率，进而产生出具有负介电常数及负磁导率超材料。以此产生的特殊的电磁性，包括非线性效应、负折射现象等，可以实现完美透镜成像、隐身斗篷等新型器件。

二维材料在光电领域产生了许多成果，但是其物理和化学特点仍然决定了它还存在许多不足，主要表现在其难以满足于复杂多样的使用需求，而且还有难以实现路径控制、极化敏感、非均匀性、工作频带窄等一系列问题。而且这些问题，单位超材料则可以很好地解决，这就使得人们把研究方向逐步转移到新材料结构设计、制造工艺和功能创新上。

二、三维超材料制造工艺

三维超材料不同于二维材料，是具有三维空间特定排布的、并且由亚波长单元结构构成的人工周期结构。它的制造工艺主要有印刷电路板堆叠组装、机械加工及组装、微电子刻蚀工艺、3D打印工艺。下面分别进行阐述。

印刷电路板工艺可以说是目前为止最为典型的金属结构一种超材料制造方法，具体地讲是由印在介质基底上的周期性排列技术图案结构单元构成，这种单元结构特征尺度大部分在毫米量级区间，主要用途在制造微波波段二维超材料，例如：负折射率超材料、电磁波吸收的超表面等等。

机械加工及组装是通过机械加工的方式来构造亚波尺度的微单元结构，并且组成周期性排布的宏观结构全介质超材料的方法。这种方法的特点是可以制造出多种三维超材料器件，但是在实际加工能力上很难满足较为复杂结构的超材料，另外，手工组装方式在一定程度上限制了其精度。

微电子刻蚀工艺是应用在红外波段、太赫兹波段甚至是光波段等高频波段扩展的重要方式。虽然此种方法已经应用到一些三维超材料的制造过程中，但是其工艺制造成本高、周期长等缺点，限制了它在实现复杂三维结构制造的发展。

3D打印技术是通过逐层累加、自上而下来制造实体零件的技术，这种方法有利于实现超材料器件的宏观和微观结构一体化制造。但是，这种方法较难实现多种材料结构的同步制造，这样就限制了其结构设计空间，还有一个就是三维全介质结构承载等力学特性较差，不能满足实际应用。

三、三维超材料在光电领域典型应用

三维隐身罩是采用变化光学设计，进而引导电磁波绕过隐身罩包围的空间并且在后方重构入射时的形态，从本质上讲，这就相当于隐身罩保护了罩内区域的电磁波传播，这样就实现了隐身目的，三维透镜天线是利用超材料的负折射效应制备成的平板，从而作为超级透镜来实现完美成像，优点在于其高分辨率突破了“衍生极限”。另外，利用特定的折射率分布，可以构造出渐变折射率透镜，实现对光和电磁波的调控。三维超材料吸波结构利用等效介电常数和磁导率产生电磁损耗特点，来实现对电磁波的吸收。可变形智能超材料是通过可变形单元结构实现微观结构相同而宏观结构不同的情况，来扩大超材料的适用范围。

通过以上的分析，可以看出，不管是哪种工艺和应用，在有着自身优点的同时，也存在着这样或那样的缺点，这就需要研究者不断往复创新。具体来讲，可以从以下几个方面进行突破：一是复杂微/宏结构跨尺度制造。微结构即平常所说的单元结构使影响超材料电磁性能的核心，对其加工能力会直接影响着对电磁波的调控，宏观结构则决定着超材料的功能和应用，采用跨尺度制造技术将可以实现新型超材料功能器件的发展与应用。二是多材料结构一体化制造，通过把介电材料和金属材料同步制造来推动实现三维谐振型超材料结构的创新设计和制造。三是多功能耦合超材料结构制造。多功能耦合超材料结构制造充分考虑了其材料的力学及其他相关性能，可以有效解决轻质结构、电/电磁、力/电磁、热/电磁等多功能耦合新型超材料结构的实现。四是智能超材料结构的4D打印制造。这种方法可以通过外界条件的改变，在结构制造完成后，对其进行变形，实现对功能的可控调节，进一步制造出智能超材料。

三维超材料的主要特点在于可以突破传统材料的束缚，构造出功能新型、技术容易实现的电磁功能结构。在不久的将来，跨尺度、多材料、智能超材料结构的制造技术将会成为超材料的发展方向。

参考文献：

[1]崔万照，马伟，邱乐德，等.电磁超介质及其应用[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2]张明习.超材料概论[M].北京：国防工业出版社，2014.