文章编号：16726987(2016)02-0119-08：D01:10.16351/八.1672-6987.2016.02.001 超材料的发展及研究现状 王霞心，张冉冉，吕浩，赵秋玲，滕利华， 张帅一，高鹏，艾品品 (青岛科技大学元数理学院：山.山东省新型光电材料与技术工程实验空，山东青岛266061) 摘要：超材料是指具有一些天然材料所不具备的超常物理特性的人工复合材料，广叉 的超材料包括光子晶体、左手材料、超磁材料等。近年来，超村料凭借其优异的物理特忙 被成功应用于工业、军事、生活等各个方面。从超材料的基本概念出发，归纳总结了超材 料的国内外研究进展，详细介绍了道过自组装、刻蚀、沉积等微纳加工技术制备超材料的 实验过程，系分析了超材料在新型微波器件、新型杭电干扰器件，无绕线电感、传感器 以及光诱导开关等方面的应用。 关键词：超材料；光子品体；研究进展，制备方法 中图分类号：0063 文献标志码：A Development and Research Actuality of Meta-materials WANG Xia,ZHANG Ran-ran",LO Hao,ZHAO Qiu-ling" TENG Li-hua",ZHANG Shuai-yi,GAO Peng.Al Jing-jing (a College of Physies b.h Engineering Laboratory.Qingdao University of Science and Technology.Qingdao 266061.Chin Abstract:Meta-materials are artificial structures exhibiting novel and surprising electro- magnetic properties that cannot be found in natural materials.Broodly speaking.pho can all be viewed as me ta-materials.In recent years,meta-materials were successfully applied in various fields of industry.military,and daily life due to their excellent physical properties.In this pa per basic concept and research progress of meta-materials are discussed.The fabrication methods of meta-materials by micro ano processing technology are exhibited.such as self-assembly technology,etching technology,deposition technology and others.In ad dition,we presented meta-materials'qpplications in microwave device,new electromag- netic interference resistance devices.no-winding inductance.sensors,and photorinduced switch. Key words:meta-materials:photonie crystals;research progress;fabrication method 超材料是指具有天然材料所不具各的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，最早由 作者介： 普等签金项目127l,15o9D,山东有光等学校科技计划项目0山0：山泰有自然形学茶金度目 女教授 1994-2016 China Academic Joural Eleetronic Publishing House.All rights reserved.hup://www.enki.net
书 第３７卷 第２期 ２０１６年４月 青岛科技大学学报（自然科学版） ＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１６ 文章编号：１６７２－６９８７（２０１６）０２－０１１９－０８；ＤＯＩ：１０．１６３５１／ｊ．１６７２－６９８７．２０１６．０２．００１ 超材料的发展及研究现状 王 霞ａ，ｂ，张冉冉ａ，ｂ，吕 浩ａ，ｂ，赵秋玲ａ，ｂ，滕利华ａ，ｂ， 张帅一ａ，ｂ，高 鹏ａ，ｂ，艾晶晶ａ，ｂ （青岛科技大学 ａ．数理学院；ｂ．山东省新型光电材料与技术工程实验室，山东 青岛 ２６６０６１） 摘 要：超材料是指具有一些天然材料所不具备的超常物理特性的人工复合材料，广义 的超材料包括光子晶体、左手材料、超磁材料等。近年来，超材料凭借其优异的物理特性 被成功应用于工业、军事、生活等各个方面。从超材料的基本概念出发，归纳总结了超材 料的国内外研究进展，详细介绍了通过自组装、刻蚀、沉积等微纳加工技术制备超材料的 实验过程，系统分析了超材料在新型微波器件、新型抗电磁干扰器件，无绕线电感、传感器 以及光诱导开关等方面的应用。 关键词：超材料；光子晶体；研究进展；制备方法 中图分类号：Ｏ０６３ 文献标志码：Ａ ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＡｃｔｕａｌｉｔｙｏｆＭｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＷＡＮＧＸｉａａ，ｂ，ＺＨＡＮＧＲａｎ－ｒａｎａ，ｂ，ＬＨａｏａ，ｂ，ＺＨＡＯＱｉｕ－ｌｉｎｇａ，ｂ， ＴＥＮＧＬｉ－ｈｕａａ，ｂ，ＺＨＡＮＧＳｈｕａｉ－ｙｉａ，ｂ，ＧＡＯＰｅｎｇａ，ｂ，ＡＩＪｉｎｇ－ｊｉｎｇａ，ｂ （ａ．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ；ｂ．ＳｈａｎｄｏｎｇＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６０６１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇｎｏｖｅｌａｎｄｓｕｒｐｒｉｓｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏ－ ｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｈａｔｃａｎｎｏｔｂｅｆｏｕｎｄｉｎｎａｔｕｒａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｂｒｏｏｄｌｙｓｐｅａｋｉｎｇ，ｐｈｏ－ ｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓ，ｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｓｕｐｅｒｍａｇｎｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌ，ｃａｎａｌｌｂｅｖｉｅｗｅｄａｓｍｅ－ ｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｖａｒｉｏｕｓｆｉｅｌｄｓ ｏｆｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｍｉｌｉｔａｒｙ，ａｎｄｄａｉｌｙｌｉｆｅｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａ－ ｐｅｒｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓｏｆｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌｓｂｙｍｉｃｒｏ－ｎａｎｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｅｘｈｉｂｉｔｅｄ，ｓｕｃｈａｓ ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｔｃｈｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｏｔｈｅｒｓ．Ｉｎａｄ－ ｄｉｔｉｏｎ，ｗｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ′ｑｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｍｉｃｒｏｗａｖｅｄｅｖｉｃｅ，ｎｅｗｅｌｅｃｔｒｏｍａｇ－ ｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｅｖｉｃｅｓ，ｎｏ－ｗｉｎｄｉｎｇｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，ｓｅｎｓｏｒｓ，ａｎｄｐｈｏｔｏ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｗｉｔｃｈ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓ；ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ；ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ 收稿日期：２０１５－１２－０５ 基金项目：国家自然科学基金项目（１１２７４１８９，１１５０４１９４）；山东省高等学校科技计划项目（Ｊ１４ＬＪ０６）；山东省自然科学基金项目 （ＺＲ２０１４ＦＰ０１２）． 作者简介：王 霞（１９７２—），女，教授． 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，最 早 由
120 青岛科技大学学报（自然科学版】 第37卷 Walse教授提出,其超常特性米自于人工结构 SRR)结构。依据Pendry的设计思想，Smith等 而非材料本身 义的超材料包括光子品体、左手 利用金属铜的开环共振器和导线组成环环相扣的 材料、超磁材料等。光子晶体(photonic crystal 品格，实际制作出基于SRR环的超材料」 PC))是具有光子带隙特性的人造周期性电介 2004年，Pendry和Smith北同设计出了绍 质结构.左手材料(lef-handed materials 材料兼层，并证实了通过这种漳层能够让光线绘 定的频段下同时具有负磁号 过物体从而使物体隐形。 基于不同方法的陷 率和负介电常数的材料系统。超磁材料回是利用 身n ，研究者们相继实现了在特定被段中对不 软磁铁氧体的高磁化强度和硬磁铁氧体的高矫同 同形状物体的隐身 场特性的相互作用和耦合，进而获得具有高磁能 最诉，Ma和C町在微波段研制出了一维 积的楼性材料。除此之外，其他一些具有特殊人 宽频带隐身衣，在“隐身农”研究上实现新的突破 工结构的材料，也属于超材料的范畴，像电磁品 随后，Ci又和德-英研究组在世界上首次研制出 体，频率选择表面、人工磁导体、基于传输线结 维隐身衣原型 构的超材料、等离子体结构的超材料等。因此 目前对超材料的理论研究和应用研究仍然在 可以理解为超材料的形成是人们通过各种层次 不断进行并相维取得了突破性的进展，在理论研 的有序结构实理对种种物理量的调制，从而获 究方面提出了数字超材料的新概念切，在实际制 得自然界中在该层次上块体材料所不具备的物 备方面实现了特种形状超材料的制备。 理性质 2 超材料的制备 1超材料研究进展 超材料特殊的物理性能往往来自于它的特防 超材料作为一个新兴领域近些年引起了多个 结构.因而人工设计制各不同的超材料结构成为 科研机构的广泛关注，随研究的逐渐深入，众多 该领域研究的重要方向 随者微 技术的不 突破性成果不断涌现。 断更新，也进 步促进了超材料的发展，可以加深 1968年，前苏联理论物理学家Veselago)从 对超材料电磁响应特性的理解。 麦克断韦方程出发，提出了余申常数与酷导率可 2.1自组装技术(Self-Assembly Technology) 能同时为负的理论，并从理论上虑构了一种折时 自组装技术是一种不依靠人力就能完成组封 率为负的材料。在这种介质中，电场失量(E) 和构筑结构的方法，如图1所示 场矢量(D和电磁波传播常数(k)三者之间构成 左手螺旋关系，所以负折射率材料又称为左手材 料。但是，当时这项工作仅仅停留在理论假说，目 然界中还尚未发理类似材料 1987年，Yablo mh和John几子同时 提出了光子品体这 一新概念，指出光子品体能 结构中可能存在着类似于半导体能带中的禁带 (a)实验装置 b)实验站果的5 即光子带隙，频率落在光子带隙内的电磁波不能 图1胶体粒子的自组装 在光子品体中传摇。这类材料在自姚界中品在 Fig.1 的，例如山杜英果实中的 维光子品体结构 翅膀中的二维光子品体结构以及甲虫体的三维) -般情况下，只要胶粒的尺寸够大(500n 子品体结构等[)。通过对自然界中生物的结构 以上)，由于重力作用，它们就能自发地沉积在容 色，形成机理及应用进行研究，大大促进了人们生 器底部，然后经历无序到有序的自组装过程。便 产生活中仿生刮学持术的发园 用该方法老制胶体品体过程拉为简单 1999年，Pendry从麦克斯韦方程和物质 金室都可做 F粒径较小的粒 构方程出发，提出了分别实现负介电常数和负硒 oonm以 下)，无法通过重力沉积，但能在离心力下排列成 导率介质的理论模型，并设计出一种具有磁响应的 有序结构，特别是对亚微米的胶粒(300~500 周期结构，即开口谐振环(split ring resonator m),这种方法简单快捷，能形成单分散结构。此 1o042016Chi m al Electronic Publishing House All rights www.cnki.ne
青岛科技大学学报（自然科学版） 第３７卷 Ｗａｌｓｅ教授提出［１］，其超常特性来自于人工结构 而非材料本身，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（ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ， ＰＣ）［２－３］是具有 光 子 带 隙 特 性 的 人 造 周 期 性 电 介 质 结 构。 左 手 材 料 （ｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ＬＨＭ）［４］是一类在一定的频段下同时具有负磁导 率和负介电常数的材料系统。超磁材料［５］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，其他一些具有特殊人 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 超材料研究进展 超材料作为一个新兴领域近些年引起了多个 科研机构的广泛关注，随着研究的逐渐深入，众多 突破性成果不断涌现。 １９６８年，前苏联理论物理学家 Ｖｅｓｅｌａｇｏ［４］从 麦克斯韦方程出发，提出了介电常数与磁导率可 能同时为负的理论，并从理论上虚构了一种折射 率为负的材料。在这种介质中，电场矢量（Ｅ）、磁 场矢量（Ｈ）和电磁波传播常数（ｋ）三 者 之 间 构 成 左手螺旋关系，所以负折射率材料又称为左手材 料。但是，当时这项工作仅仅停留在理论假说，自 然界中还尚未发现类似材料。 １９８７年，Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ 和Ｊｏｈｎ［２－３］几 乎 同 时 提出了光子晶体这一新概念，指出光子晶体能带 结构中可能存在着类似于半导体能带中的禁带， 即光子带隙，频率落在光子带隙内的电磁波不能 在光子晶体中传播。这类材料在自然界中是存在 的，例如山杜英果实中的一维光子晶体结构，蛾类 翅膀中的二维光子晶体结构以及甲虫体的三维光 子晶体 结 构 等［６］。通过对自然界中生物的结构 色、形成机理及应用进行研究，大大促进了人们生 产生活中仿生科学技术的发展。 １９９９年，Ｐｅｎｄｒｙ［７］从麦克斯韦方程和物质本 构方程出 发，提出了分别实现负介电常数和负磁 导率介质的理论模型，并设计出一种具有磁响应的 周期 结 构，即 开 口 谐 振 环 （ｓｐｌｉｔｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒ， ＳＲＲ）结构。依据 Ｐｅｎｄｒｙ的设计思想，Ｓｍｉｔｈ 等［８］ 利用金属铜的开环共振器和导线组成环环相扣的 晶格，实际制作出基于 ＳＲＲ 环的超材料。 ２００４年，Ｐｅｎｄｒｙ和 Ｓｍｉｔｈ［９］共同设计出了超 材料薄层，并证实了通过这种薄层能够让光线绕 过物体 从 而 使 物 体 隐 形。 基于不同方法 的 隐 身［１０－１２］，研究者们相继实现了在特定波段中对 不 同形状物体的隐身［１３－１４］。 最近，Ｍａ和 Ｃｕｉ［１５］在 微 波 段 研 制 出 了 二 维 宽频带隐身衣，在“隐身衣”研究上实现新的突破。 随后，Ｃｕｉ又和德－英研究组在世界上首次研制出 三维隐身衣原型［１６］。 目前对超材料的理论研究和应用研究仍然在 不断进行并相继取得了突破性的进展，在理论研 究方面提出了数字超材料的新概念［１７］，在实际制 备方面实现了特种形状超材料的制备［１８］。 ２ 超材料的制备 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。随着微纳加工技术的不 断更新，也进一步促进了超材料的发展，可以加深 对超材料电磁响应特性的理解。 ２．１ 自组装技术（Ｓｅｌｆ－ＡｓｓｅｍｂｌｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） 自组装技术是一种不依靠人力就能完成组装 和构筑结构的方法，如图１所示［１９］。 图１ 胶体粒子的自组装［１９］ Ｆｉｇ．１ Ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｃｏｌｌｏｉｄａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓ［１９］ 一般情况下，只 要 胶 粒 的 尺 寸 够 大（５００ｎｍ 以上），由于重力作用，它们就能自发地沉积在容 器底部，然后经历无序到有序的自组装过程。使 用该方法来制备胶体晶体过程较为简单，一般实 验室都可 做。对于粒径较小的粒子 （３００ｎｍ 以 下），无法通过重力沉积，但能在离心力下排列成 有序结 构，特 别 是 对 亚 微 米 的 胶 粒 （３００～５００ ｎｍ），这种方法简单快捷，能形成单分散结构。此 ０２１
第2期 王霞等：超材料的发展及研究现状 121 外，当基片被单分散微球的悬浮液润湿后，随着 的直写速度进行小于50m的刻蚀，故而聚焦离 剂的蒸发，毛细管力（纵向毛细管力[或横向毛 子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法可（图3） 细管力)驱动弯月面中的微球在基片表面自组 该方法与自组装技术相结合使用，可以成功制备 装为周期排列结构，形成胶体品体。 大面积双角网结构的超材料[幻以及三维手性超 2.2刻蚀技术(Etching Technology 材料回。 刻蚀技术是做电子技术的核心技术之 ,足 指按照加工要求的图形或掩模图形对半导体衬底 表而或表面覆盖的薄膜进行选择性影离或腐蚀的 技术。该技术是一种较成熟的方法米制备超材 料，目前应用最多的刻蚀技术有电子束刻蚀，离了 束刻蚀、激光刻蚀等方法。 电子束刻蚀技术是利用聚焦后的电子束对基 (a)实验装置 (b)制等FCC结构的sE 片上的抗蚀剂进行曝光，犀光后在抗蚀剂中产生 离子束刻技术制备的光子品体回 具有不同溶解性能的区域，选择适当的显影剂 其进行显影，就可以得到预先设计的图形。沿用 激光刻蚀技术是通过调节激光光路，实现多 此方法Tandaechanurat等[)成功制备了具有扭 曲光学平面的超材料，如图2所示。 光束相干激光汇聚，在汇聚区域形成周期性变化 的干涉图案，并将图案记录在感光材料上，激光全 息技术是 种特殊的激光刻蚀技术，如图 示阿。通过改变光束构型和参数，可以得到不同 对称形貌、不同周期尺寸大小的微纳结构材 料2)。另外，结合使用激光刻蚀法与电沉积技 术[3公】溶胶凝胶法[)以及原子层技术[】向哈 气孔洞中填充其他介电常数较高的材料，可以成 b)制各FCC面心立方)结构的 功制备反结构 围2电子束光刻技术制备的光子品体四 除此之外，通过藏光直写技术也可以成功制 or pCtz 备超材料，利用聚焦后的激光束对样品表面进行 照射，照射后样品会发生物理变化（如挥发）或化 离子束刻蚀是以离子束为刻蚀手段达到刻蚀 学变化（如氧化），从而制备微结构的。 而且通过 目的进行纳微结构制备的技术，其分辨率限制于 调节激光光束的入射角、偏振、曝光量等参数，可 粒子进入基底以及离子能量耗尽过程的路径范 以调整显影后样品的周期尺寸、对比度、占空比 围。离子在固体中的散射效应较小，并能以较快 等，从而获得不同的微结构，如图5所示。 (a)制备FCC结构的几何光卓 (b)制答FCC结构的sE 光全皂光制技术制备的光子品体 Fig. 1994-2016 China Academic Jouma Electronie Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.ne
第２期 王 霞等：超材料的发展及研究现状 外，当基片被单分散微球的悬浮液润湿后，随着溶 剂的蒸发，毛 细 管 力（纵 向 毛 细 管 力［２０］或 横 向 毛 细管力［２１］）驱动弯月面中的微球在基片表面自组 装为周期排列结构，形成胶体晶体。 ２．２ 刻蚀技术（ＥｔｃｈｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） 刻蚀技术是微电子技术的核心技术 之 一，是 指按照加工要求的图形或掩模图形对半导体衬底 表面或表面覆盖的薄膜进行选择性剥离或腐蚀的 技术。该技术是一种较成熟的方法来制备超材 料，目前应用最多的刻蚀技术有电子束刻蚀、离子 束刻蚀、激光刻蚀等方法。 电子束刻蚀技术是利用聚焦后的电子束对基 片上的抗蚀剂进行曝光，曝光后在抗蚀剂中产生 具有不同溶解性能的区域，选择适当的显影剂对 其进行显影，就可以得到预先设计的图形。沿用 此方法 Ｔａｎｄａｅｃｈａｎｕｒａｔ等［２２］成功制备了具有扭 曲光学平面的超材料，如图２所示。 图２ 电子束光刻技术制备的光子晶体［２２］ Ｆｉｇ．２ ＥｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＰＣ［２２］ 离子束刻蚀是以离子束为刻蚀手段达到刻蚀 目的进行纳微结构制备的技术，其分辨率限制于 粒子进入基底以及离子能量耗尽过程的路径范 围。离 子 在 固 体 中 的 散 射 效 应 较 小，并 能 以 较 快 的直写速度进行小于５０ｎｍ 的刻蚀，故而聚焦离 子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法［２３］（图３）。 该方法与自组装技术相结合使用，可以成功制备 大面积双鱼 网 结 构 的 超 材 料［２４］以 及 三 维 手 性 超 材料［２５］。 图３ 离子束刻蚀技术制备的光子晶体［２３］ Ｆｉｇ．３ ＩｏｎｂｅａｍｅｔｃｈｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＰＣ［２３］ 激光刻蚀技术是通过调节激光光路，实 现 多 光束相干激光汇聚，在汇聚区域形成周期性变化 的干涉图案，并将图案记录在感光材料上，激光全 息技术是一种特殊的激光刻蚀技术，如 图 ４ 所 示［２６］。通过改变光束构型和参数，可以得到不同 对称 形 貌、不同周期尺寸大小的微纳 结构材 料［２７－３１］。另外，结合使用激光刻蚀法与电沉积技 术［３２－３３］、溶 胶 凝 胶 法［３４］以 及 原 子 层 技 术［３５］向 空 气孔洞中填充其他介电常数较高的材料，可以成 功制备反结构。 除此之外，通过激光直写技术也可以 成 功 制 备超材料，利用聚焦后的激光束对样品表面进行 照射，照射后样品会发生物理变化（如挥发）或化 学变化（如氧化），从而制备微结构［３６］。而且通过 调节激光光束的入射角、偏振、曝光量等参数，可 以调 整 显 影 后 样 品 的 周 期 尺 寸、对 比 度、占 空 比 等，从而获得不同的微结构，如图５所示。 图４ 激光全息光刻技术制备的光子晶体［２６］ Ｆｉｇ．４ ＨｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＰＣ［２６］ １２１
青岛科技大学学报（自然科学版） 第37卷 证实了圆二色性的大小与方位角相关，且不同 柱状阵列的尺寸具有不同的用途 基板 a)实验置 ()制各木堆积结构的SE 人射角 步进电机 图5激光直写技术制备光子品体[ 水汽酒园 2.3沉积技术(Deposition Technology】 在超材料的制备过程中，沉积技术主要包括 电镀技术、倾斜溅射沉积技术、阴影气相沉积技术 (a)实验装置 b)旋转基板运动产生螺旋线 以及隙板沉积技术 图7倾斜溅射沉积法制备超材料列 电镀技术r国是指以被镀基体金属为阴极 Fig.Glansing angle deposition technology for meta-materislt) 以含有预镀金属的盐溶液为镀液通过电解作用， 使镀液中预镀金属的阳离子在基体金属表面沉 模板沉积技术[)则品金届桶过模板的孔结 积，形成镀层的一种表面加工方法。通过这种方 构直接沉积在基底上形成超材料结构，不需要感 法可以获得敏厚的金属层，而日可可以实理多层 光材料的辅助。虽然此方法简化了制备程序，但 镀或是结合其他技术实现在基底表面竖立的单 是沉积所用的模板结构需要预先制各，而且沉积 结构，见图6。如果采用柔性基底，可以将平面超 过程会对模板造成污染。 材料卷成三维形状，从而获得图6(b)所示的三维 2.4其他技术 超材料。 类比光子品体光纤的制作方法，Tuni2等[] 利用光纤拉丝方法也成功制作出三维超材料，如 图8所示 。特种塑料 ()通基底 ()柔性基 图6电镀技术制备超材料[ o 1先制各特种料 b)3沉积 倾斜溅射沉积法是利用粑材蒸发后，以 ⊙) 定的倾斜角入射沉积在基板上，与此同时控制基底 沿若其所在的平面方向以一定的速度进行旋转（如 超材料光纤 图7所示)，就可以获得纳米尺寸的柱状结构或多 层薄膜结构。而且在沉寂的过程中，当入射角（粒 (山横截面为心形结相 子入射方向和基底法线方向的夹角)大于80时，相 邻原子间存在遮蔽效应，从而获得质量优异的三维 8光纤拉丝法制备超材料 Fiber 结构。图7(b)是利用该技术制备的三维螺旋结 构，样品结构均匀，制备面积较大。 随者微加工技术的不断进步以及D打印技 与倾斜射沉积技术实验原理相似，阴影 术的繁荣，打印技术也成为超材料制备的新途 相沉积技术也是基于两柱状阵列之间的遮效应 径可（见图9）。虽然通过这种方法来制各超材料 来制各3D或准-3D手性超材料)，这种方法制 不需要制作格模板或模板，但是很难制各小尺、 备的超材料具有很大的园二色性（高达1.2），并 金属线宽的结构 1004.2016chi Jou al Electronic Publishing House All rights http://www.cnki.ne
青岛科技大学学报（自然科学版） 第３７卷 图５ 激光直写技术制备光子晶体［３０］ Ｆｉｇ．５ ＬａｓｅｒｄｉｒｅｃｔｗｒｉｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＰＣ［３０］ ２．３ 沉积技术（ＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） 在超材料的制备过程中，沉积技术主 要 包 括 电镀技术、倾斜溅射沉积技术、阴影气相沉积技术 以及模板沉积技术。 电镀技术［３７－３８］是指以被镀 基 体 金 属 为 阴 极， 以含有预镀金属的盐溶液为镀液通过电解作用， 使镀液中预镀金属的阳离子在基体金属表面沉 积，形成镀层的一种表面加工方法。通过这种方 法可以获得较厚的金属层，而且可以实现多层电 镀或是结合其他技术实现在基底表面竖立的单元 结构，见图６。如果采用柔性基底，可以将平面超 材料卷成三维形状，从而获得图６（ｂ）所示的三维 超材料。 图６ 电镀技术制备超材料［３８］ Ｆｉｇ．６ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ［３８］ 倾斜溅射沉积法［３９］是利用靶材蒸发后，以一 定的倾斜角入射沉积在基板上，与此同时控制基底 沿着其所在的平面方向以一定的速度进行旋转（如 图７所示），就可以获得纳米尺寸的柱状结构或多 层薄膜结构。而且在沉寂的过程中，当入射角θ（粒 子入射方向和基底法线方向的夹角）大于８０°时，相 邻原子间存在遮蔽效应，从而获得质量优异的三维 结构。图７（ｂ）是利用该技术制备的三维螺旋结 构，样品结构均匀，制备面积较大。 与倾斜溅射沉积技术实验原理相似，阴 影 气 相沉积技术也是基于两柱状阵列之间的遮蔽效应 来制备３Ｄ 或 准－３Ｄ 手 性 超 材 料［４０］，这 种 方 法 制 备的超材料具有很大的圆二色性（高 达１．２），并 证实了圆二色性的大小与方位角相关［４１］，且不同 柱状阵列的尺寸具有不同的用途［４２］。 图７ 倾斜溅射沉积法制备超材料［３９］ Ｆｉｇ．７ Ｇｌａｎｃｉｎｇａｎｇｌｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌ［３９］ 模板 沉 积 技 术［４３］则是金属通过模板的孔结 构直接沉积在基底上形成超材料结构，不需要感 光材料的辅助。虽然此方法简化了制备程序，但 是沉积所用的模板结构需要预先制备，而且沉积 过程会对模板造成污染。 ２．４ 其他技术 类比光子晶体光纤的制作方法，Ｔｕｎｉｚ等［４４］ 利用光纤拉丝方法也成功制作出三维超材料，如 图８所示。 图８ 光纤拉丝法制备超材料［４４］ Ｆｉｇ．８ Ｆｉｂｅｒｄｒａｗｉｎｇｆｏｒｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌ［４４］ 随着微加工技术的不断进步以及３Ｄ 打印技 术 的 繁 荣，打印技术也成为超材料制备的新途 径［４５］（见图９）。虽然通过这种方法来制备超材料 不需要制作掩模板或模板，但是很难制备小尺寸 金属线宽的结构。 ２２１
第2期 王覆等：超材料的发展及研究现状 123 圆偏振光束 相移 b)制各木堆积结构的儿何光束 )载件设计光学元件榄型 (e)制备FCC结构的sEM 图93D打印技术制备超材料 Fig.9 3D printing for meta-materialt) 3超材料的应用 念的材料和设备之间成功引入了超材料作为功能 化层的中间介质，通过这种方式，使得双负介质 超常的物理特性使得超材料的应用领域十分 (DNG)平板的完美透镜不仅是自身的支撑物（像 广泛，其应用菊盖了丁业军事、生活冬个 玻璃或是其他常规介质的电介质镜头)，而且自身 方面。特别是电磁超材料，对未米的通信 光电 可以作为一种设备，能够同时执行镜头操 子/微电子，先进制造产业以及隐身、探测、核磁、 3.2 “隐身斗篷”与新型抗电磁干扰器件 强磁场、太阳能及微波能利用等技术产生了深远 “隐身斗篷”的基本原理如图10所示[町。通 的影响。 过在物体表面包覆一层具有特殊设计的材料，这 3.1基于左手材料的新型微波器件 种材料具有一定介电常数和磁导率分布当光线经 左手材料是近年 新发现的某些物理特性 过这种材料时将被弯曲，表现为绕过 包覆层传播 全不同于常规材料的新材料，在电磁波传播的某 达到隐身效果的。因此，可以理解为实现“隐 些波段能产生逆Cerenkoy辐射效应、逆SneI折 斗篷”，最关键的技术就是制造出能够使可见光波 射效应、逆多普勒效应以及“完美透镜”等奇特的 发生扭曲的材料。然而，“隐身斗篷”的成功制会 电磁特性的，这些特性不仅超越了天然材料的自 将不仅仅被应用于“隐身”，凭借它的帮助，任何电 然极限，也突破 「人们常规思维的极限，有望在 磁信号都可以更为有效地绕开干扰和阻隔，从而 事技术、信息技术等领域获得重要应用切。例 保持信号的完整性也将有望广泛应用于抗电磁干 如：利用完美透镜的结果，Bilotti等a在传统概 扰器件领域。 )光线穿过斗蓬的光射线 (b)实验装置间试稳身性能 围10隐身设】 016China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://ww.enkie
第２期 王 霞等：超材料的发展及研究现状 图９ ３Ｄ打印技术制备超材料［４５］ Ｆｉｇ．９ ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｆｏｒｍｅｔａ－ｍａｔｅｒｉａｌ［４５］ ３ 超材料的应用 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。特别 是 电 磁 超 材 料，对 未 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了深远 的影响。 ３．１ 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，在电磁波传播的某 些波段能产生逆 Ｃｅｒｅｎｋｏｖ辐射效应、逆 Ｓｎｅｌｌ折 射效应、逆多普勒效应以及“完美透镜”等奇特的 电磁特性［４６］，这些特性不仅超越了天然材料的自 然极限，也突破了人们常规思维的极限，有望在军 事技术、信息技术等领域 获得重要应用［４７］。例 如 ：利 用 完 美 透 镜 的 结 果，Ｂｉｌｏｔｔｉ等［４８］在 传 统 概 念的材料和设备之间成功引入了超材料作为功能 化层 的 中 间 介 质，通 过 这 种 方 式，使 得 双 负 介 质 （ＤＮＧ）平板的完美透镜不仅是自身的支撑物（像 玻璃或是其他常规介质的电介质镜头），而且自身 可以作为一种设备，能够同时执行镜头操作。 ３．２ “隐身斗篷”与新型抗电磁干扰器件 “隐身斗篷”的基本原理如图１０所示［４９］。通 过在物体表面包覆一层具有特殊设计的材料，这 种材料具有一定介电常数和磁导率分布当光线经 过这种材料时将被弯曲，表现为绕过包覆层传播， 达到隐身效 果［５０］。因 此，可 以 理 解 为 实 现“隐 形 斗篷”，最关键的技术就是制造出能够使可见光波 发生扭曲的材料。然而，“隐身斗篷”的成功制备 将不仅仅被应用于“隐身”，凭借它的帮助，任何电 磁信号都可以更为有效地绕开干扰和阻隔，从而 保持信号的完整性也将有望广泛应用于抗电磁干 扰器件领域。 图１０ 隐身设备［４９］ Ｆｉｇ．１０ Ｃｌｏａｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓ［４９］ ３２１