·126 材科导报A:综远间 2015年12月（上）第29卷第12糊 左手材料的研究进展与应用前景* 张勇12，张斌珍12，段俊萍12，王万军1 (1中北大学电子测试技术重点实验室.太原030051：2中北大学仪器与电子学院，太原030051： 3路易斯安那州立大学机械工程系，巴吞鲁日70803) 关问左手材料负介中常数鱼做导 中图分类号：TB34:04H1文献标识码：AD0:10.118961.isn.1005-023X.2015.023,023 Research Progress and Application Prospect of LHMs ZHANG Yong',ZHANG Binzhen',DUAN Junping',WANG Wanjun' (1 Scienee and Technologyon TeatMeasurement.North University of China. ics.North University of China.Department of Mechanical Engincering.Louisiana State University.Baton rouge 70803) The LHMs is a kind of artificial com terials whos gative simultaneously.It has bec properties.Based on the present study sitt the thory ture.preparation and test of LHMs are summarized.In order to gain a more profound and comprehensive understan ding on LHMs.its trends.prospeets and urgent problems are as explored. Key words LHMs.negative permeability,negative permittivity 0引言 重要的应用潜力 当电磁波（如光线）通过介质材料时，电磁波中诺根的电 1左手材料的发展历程 场和磁场会引发材料中的原子或分子内部的电子产生运动 1964年Veselagof首次论证e,同时为负的物质可以 从而消耗电磁波的一部分能量，进而影响电磁波的传输特 实现负折射，由于当时自然界并不存在此类材料，人们对左 性，在材料中这两种运动的程度可以由2个参数分别定量表 手材料的客视存在性饱有很大的质疑。限于当时微钠制 示，即代表电子对电场反应程度的介电系数￡以及代表电子 技术的不完善，左手材料陌入长达30余年的“沉寂”，直到英 对场反应程度的磁导率，通常条件下这2个值为正数 国皇家学院Pendry院士于1996年和1999年)首次通过 左手材料是一类由亚波长尺寸、具有共振响应的金属微结构 人工手段制备出电负和磁负材科，随后加利福尼亚大学圣达 单元周期性排列组合面成的具有天然材料所不具备的异常 戈分校的Smth等6.首次制备出微被频段的左手材料 物理特性的等效均匀人工复合材料可。左手材料在研究过 随若材料制备工艺的快速发展和新材料的不断福现，左手材 程中出现了不同的名称，如超材料、负折射率材料，双负介 料的研究呈现爆炸式的发展态势，并取得了瞩目的研究成 质，回被介质等。 果，原有的分歧和争议网也不断被化解。表1简要汇总了 负折射率是左手超材料最核心的特异属性四，并衍生出 左手材料发展过程中的突破性进展。 逆多普勒效应四，逆切伦科夫辐射回、反常古斯-汉众位移西 尽管左手材料诞生的前几年国外的研究机构和人员独 完关透镜阿、光子隧道效应阿等奇异电磁特性。这种新型人 领风强，但随着我国对左手材料尤其在军事领域的重视，国 工材料的出现，极大地拓展了人们对电磁学、光学、材科学等 内学看奋起追上，差距逐渐缩小。表2汇总了国内主要的左 领域的认知，其在成像、隐身，天线、传感器等领域具有非常 手材料研究单位及其主要的研究内容。 女国家自然科学基全(51475438：61401405：61176115) 张勇：男，1992年生，硕士生.研究方向为电磁超村料E-mail,nemszy(@163.com张减珍：通讯作者，男.1974年生，博士，教投 博士生导师，主要研究方向为MEMS和功能材料E-mail:zhangbinzhen(@nuc.edu.cn 1994-2016 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
左手材料的研究进展与应用前景＊ 张 勇１，２，张斌珍１，２，段俊萍１，２，王万军１，３ （１ 中北大学电子测试技术重点实验室，太原 ０３００５１；２ 中北大学仪器与电子学院，太原 ０３００５１； ３ 路易斯安那州立大学机械工程系，巴吞鲁日７０８０３） 摘要 左手材料是一种介电常数ε和磁导率μ 同时为负的人工复合材料，具有许多反常的物理性质，是材料、 电磁、光学等领域的热门研究方向。在结合国内外研究现状的基础上综述了左手材料的理论、结 构 特 征、制 备 工 艺、 性能测试等，最后探讨了左手材料的发展趋势、应用前景和亟需解决的问题，以期获得对左手材料更为深刻和全面的 理解。 关键词 左手材料 负介电常数 负磁导率 中图分类号：ＴＢ３４；Ｏ４４１ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１１８９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２３Ｘ．２０１５．０２３．０２３ ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｓｐｅｃｔｏｆＬＨＭｓ ＺＨＡＮＧＹｏｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧＢｉｎｚｈｅｎ１，２，ＤＵＡＮＪｕｎｐｉｎｇ１，２，ＷＡＮＧ Ｗａｎｊｕｎ１，３ （１ ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔ＆ ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１； ２ ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１；３ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆ ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｏｕｉｓｉａｎａＳｔａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｔｏｎｒｏｕｇｅ７０８０３） Ａｂｓｔｒａｃｔ ＴｈｅＬＨＭｓｉｓａｋｉｎｄｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｗｈｏｓｅｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙεａｎｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙμａｒｅｎｅ－ ｇａｔｉｖｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｉｔｈａｓｂｅｃａｍｅｈｏｔｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｃｏｎｃｅｒｎｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｏｇｙｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｐｈｏｔｏｌｏｇｙｂｅ－ ｃａｕｓｅｏｆｉｔｓａｂｎｏｒｍａｌｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｙｓｉｔｕａｔｉｏｎａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ｔｈｅｔｈｅｏｒｙ，ｓｔｒｕｃ－ ｔｕｒｅ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｏｆＬＨＭｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇａｉｎａｍｏｒｅｐｒｏｆｏｕｎｄａｎｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｕｎｄｅｒｓｔａｎ－ ｄｉｎｇｏｎＬＨＭｓ，ｉｔｓｔｒｅｎｄｓ，ｐｒｏｓｐｅｃｔｓａｎｄｕｒｇｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓａｒｅａｌｓｏｅｘｐｌｏｒｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＬＨＭｓ，ｎｅｇａｔｉｖｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ，ｎｅｇａｔｉｖｅｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ＊国家自然科学基金（５１４７５４３８；６１４０１４０５；６１１７６１１５） 张勇：男，１９９２年生，硕士生，研究方向为电磁超材料 Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｅｍｓｚｙ＠１６３．ｃｏｍ 张 斌 珍：通 讯 作 者，男，１９７４年 生，博 士，教 授， 博士生导师，主要研究方向为 ＭＥＭＳ和功能材料 Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｂｉｎｚｈｅｎ＠ｎｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ ０ 引言 当电磁波（如光线）通过介质材料时，电磁波中谐振的电 场和磁场会引发材料中的原子或分子内部的电子产生运动， 从而消耗电磁波的一部分能量，进而影响电磁波的传输特 性，在材料中这两种运动的程度可以由２个参数分别定量表 示，即代表电子对电场反应程度的介电系数ε以及代表电子 对磁场反应程度 的 磁 导 率μ，通 常 条 件 下 这２个 值 为 正 数。 左手材料是一类由亚波长尺寸、具有共振响应的金属微结构 单元周期性排列组合而成的具有天然材料所不具备的异常 物理特性的等效均匀人工复合材料［１］。左手材料在研究过 程中出现了不 同 的 名 称，如 超 材 料、负 折 射 率 材 料、双 负 介 质、回波介质等。 负折射率是左手超材料最核心的特异属性［１］，并衍生出 逆多普勒效应［２］、逆切伦科夫辐射［３］、反常古斯－汉欣位移［４］、 完美透镜［５］、光子隧道效应［６］ 等奇异电磁特性。这种新型人 工材料的出现，极大地拓展了人们对电磁学、光学、材料学等 领域的认知，其在成像、隐 身、天 线、传感器等领域具有非常 重要的应用潜力。 １ 左手材料的发展历程 １９６４年 Ｖｅｓｅｌａｇｏ［７］首次论证ε、μ同时为负的物质可 以 实现负折射，由于当时自然界并不存在此类材料，人 们 对 左 手材料的客观存在性抱有很大的质疑。限于当时微纳制造 技术的不完善，左手材料陷入长达３０余年的“沉寂”，直到英 国皇家学院 Ｐｅｎｄｒｙ院士于１９９６年［８］和１９９９年［９］首次通过 人工手段制备出电负和磁负材料，随后加利福尼亚大学圣迭 戈分校的 Ｓｍｉｔｈ等［１０，１１］首次制备出微波频段的左手材料。 随着材料制备工艺的快速发展和新材料的不断涌现，左手材 料的研究呈现爆炸式的发展态势，并取得了瞩目的研究成 果，原有的分歧和争议［１２，１３］ 也不断被化解。表１简要汇总了 左手材料发展过程中的突破性进展。 尽管左手材料诞生的前几年国外的研究机构和人员独 领风骚，但随着我国对左手材料尤其在军事领域的重视，国 内学者奋起追上，差距逐渐缩小。表２汇总了国内主要的左 手材料研究单位及其主要的研究内容。 · ６２１ · 材料导报 Ａ：综述篇 ２０１５年１２月（上）第２９卷第１２期
左手材料的研究进展与应用前景/张勇等 ·127· The mil 年份研究者 研究内容 1964 Veselago 理论上证明：同时为负的物质可以实现负折射 1996 周期性挂列的金属线阵到实我负￡ 1999 Pendry 周期性排列的开口诺报环实现负以 采用电路板刻使术制作了钢开口谐振环和国金屈线首次获得微被段左手材料.并首次在试验中观 2001 Smith 察到了负折射现象 2002 基于LC网络实现LHMs,具有频带宽，损耗低的特性 2003 Eleftheriades演示负折射现象，且不同入射角下的负折射率是一致的，被Science评为2O03年度全球十大科学进 展 由电容和电感等集总元件组合实现传平板输线左手材料，观察到负折射及平板聚焦现象，实现了突 Grbie 破衍射极限成像 2004 Yen 采用光刻技术制备30m开口谐报环阵列，首次在红外類段实现负 Linden 利用电子束刻蚀技术制备结构单元为300m的单个金属谐振环，为光波段负折射的实现奠定了基 Pendry 提出左手材料可以实现对电磁被传播方向进行任意改变的设计理论和“隐身斗篷”相关概念 2006 Schurig 利用Pendry相关理论制备出了“隐形斗篷”，再次在微波段验证了电磁透明的思想，被Science评为 2006年度世界十大科技突破 2007 Hess 提出捕获彩虹模型，理论上证明一种以左手材料为芯层并且厚度沿轴向变化的异质结构能够有效 而连续地使光波完全停止，不同频率的光波停止在不同的波导处，从而导致光谱的空间分离 2010 赵晓鹏 双模板辅助电化学沉积的方法制备了准周期性银树枝状结构红外波段左手材料 制备基于树枝+树枝，树枝+银膜，树枝十T0玻璃复合结构的红，绿、蓝3种可见光波段左手材料 2011 上射100四厚的金谐振环，并进行了拉伸和恢复实验，首次制备出柔性基 Pryce 机城可词的左手材料 2013 Padilla 通过偏置 压米控制5CB型液晶折 率的大小，从雨改变诺振单元的响应频率，首次制备出压控的 2014 Hedayati 等千体制备出具有紫外和 可见光频段的左手材料，并将其应用于紫外线保护膜和可见 2014 王玲玲 2015 赵晓鹏 左手材料中的 表？国内左手材料的主要研究单位-四 Table 2 The domestie primary research institutes in LHMs field 研究单位 主要研究内容 西北工业大学 左手材料的制备工艺及其缺陷理论的研究 同济大学 研究负折射效应的基础理论、表征手段和器件应用等方面：探素其在空间飞行器中的应用潜力：设计基于左 浙江大学 手材料葛本科学问题、物理机制，新现象研究以及微波段，光波段具有负折射特性的特殊周期介顺钻构的 研 中 左手材料的探素，重点拓展光子 壮克大学合 结构等新型结构在 a 作研制成 光启研究院 能的 中北大学 艺和化学合成等工艺制备左手材料，不新优化工艺，并将其应用在射频器件和隐身材养 1994-2016 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.enki.e
表１ 左手材料的重要研究进展［７－１１，１４－２６］ Ｔａｂｌｅ１ ＴｈｅｍｉｌｅｓｔｏｎｅｏｆＬＨＭｓ［７－１１，１４－２６］ 年份 研究者 研究内容 １９６４ Ｖｅｓｅｌａｇｏ 理论上证明ε、μ同时为负的物质可以实现负折射 １９９６ １９９９ Ｐｅｎｄｒｙ 周期性排列的金属线阵列实现负ε 周期性排列的开口谐振环实现负μ ２００１ Ｓｍｉｔｈ 采用电路板刻蚀术制作了铜开口谐振环和铜金属线首次获得微波段左手材料，并首次在试验中观 察到了负折射现象 ２００２ ２００３ Ｅｌｅｆｔｈｅｒｉａｄｅｓ 基于 ＬＣ网络实现 ＬＨＭｓ，具有频带宽、损耗低的特性 演示负折射现象，且不同入射角下的负折射率是一致的，被Ｓｃｉｅｎｃｅ评为２００３年度全球十大科学进 展 ２００４ Ｇｒｂｉｃ 由电容和电感等集总元件组合实现传平板输线左手材料，观察到负折射及平板聚焦现象，实现了突 破衍射极限成像 Ｙｅｎ 采用光刻技术制备３０μｍ 开口谐振环阵列，首次在红外频段实现负μ Ｌｉｎｄｅｎ 利用电子束刻蚀技术制备结构单元为３００ｎｍ 的单个金属谐振环，为光波段负折射的实现奠定了基 础 ２００６ Ｐｅｎｄｒｙ 提出左手材料可以实现对电磁波传播方向进行任意改变的设计理论和“隐身斗篷”相关概念 Ｓｃｈｕｒｉｇ 利用 Ｐｅｎｄｒｙ相关理论制备出了“隐形斗篷”，再次在微波段验证了电磁透明的思想，被Ｓｃｉｅｎｃｅ评为 ２００６年度世界十大科技突破 ２００７ Ｈｅｓｓ 提出捕获彩虹模型，理论上证明一种以左手材料为芯层并且厚度沿轴向变化的异质结构能够有效 而连续地使光波完全停止，不同频率的光波停止在不同的波导处，从而导致光谱的空间分离 ２００８ ２０１０ 赵晓鹏 双模板辅助电化学沉积的方法制备了准周期性银树枝状结构红外波段左手材料 制备基于树枝＋树枝、树枝＋银膜、树枝＋ＩＴＯ 玻璃复合结构的红、绿、蓝３种可见光波段左手材料 ２０１１ Ｐｒｙｃｅ 在ＰＤＭＳ柔性基底上溅射１００ｎｍ 厚的金谐振环，并进行了拉伸和恢复实验，首次制备出柔性基底 机械可调的左手材料 ２０１３ Ｐａｄｉｌｌａ 通过偏置电压来控制５ＣＢ型液晶折射率的大小，从而改变谐振单元的响应频率，首次制备出压控的 可调左手材料 ２０１４ Ｈｅｄａｙａｔｉ 利用等离子体谐振制备出具有紫外和可见光频段的左手材料，并将其应用于紫外线保护膜和可见 光隐身衣 ２０１４ 王玲玲 制备出太赫兹频段机械可调的左手材料，通过移动可动部件实现谐振频率的连续控制 ２０１５ 赵晓鹏 利用石墨烯的介电常数在太赫兹频段为负值和单层超薄的特性来拓展石墨烯在超薄左手材料中的 应用 表２ 国内左手材料的主要研究单位［２７－３２］ Ｔａｂｌｅ２ ＴｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｐｒｉｍａｒｙｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓｉｎＬＨＭｓｆｉｅｌｄ［２７－３２］ 研究单位 主要研究内容 西北工业大学 左手材料的制备工艺及其缺陷理论的研究 同济大学 研究负折射效应的基础理论、表征手段和器件应用等方面；探索其在空间飞行器中的应用潜力；设计基于左 手材料的第四代智能定向手机天线 浙江大学 左手材料基本科学问题、物理机制、新现象研究以及微波段、光波段具有负折射特性的特殊周期介质结构的 研究 中科院物理所 新型低损耗左手材料的探索，重点拓展光子晶体、超导量子结构等新型结构在左手材料中的应用 东南大学 从事左手材料的电磁响应理论研究，与杜克大学合作研制成功“隐身衣”，独立制备出微波频段的“黑洞” 光启研究院 开创并引领左手材料在无线互联、航空航天及智慧社区等领域的革命性应用，为业界提供具有优异电磁性 能的产品，为行业提供创新技术标准 中北大学 主要运用 ＭＥＭＳ工艺和化学合成等工艺制备左手材料，不断优化工艺，并将其应用在射频器件和隐身材料 等领域 左手材料的研究进展与应用前景／张 勇等 · ７２１ ·
·128 材导报A:综高 2015年12月（上）第29卷第12期 2左手材料的分类 的右旋圆极化波呈现左手效应的互补型左手材料，右旋圆极 152. 目前，随若微纳加工结度的不断提高和新材料的不断拉 组又提出了一种由共轭的玫瑰花状手性超材料与连 手材料包括结构片形，1， 步拓宽的同 铁氧体复合型0-和光子品体r-四大类别。 2 结构贴片型 等通过将光敏物质嵌入到共的希腊十字诺振器中，获得 001年.c th等根据Pendry的设想.将开口谐振 了一种旋光性可调的左手材料，这种左手材料的透射谱、 环和金属短线组合在一起，通过调节这些微结构的物理 光特性等可以通过红外光的光强进行调节，通过控制励源 寸，首次在实验上得到微波波段双负的左手材科，从而掀起 的强度，还可以实现对负折射率的调节，这种可调的手性超 左手材料的研穷装湖。之反，人1开始过多种多样“恋形”的 材料在实际应用方面且有十分重要的意义。传的印剧目 金属诺据环讲行研究，如单环，夏环单开口，双开口，后来的 路板节术不到3D左毛材的发，Valentine笔[ 渔网型、科赫分形、S型、口型、开型也都是由经典结构演变而 情性地利用聚焦等离子制条了由相当于10个介师-金屈-介 来。一般用等放媒介理论即等效介电常新。和等效磁导率 质功能层的21层交替出现的银网和氧化样介丽层均成的3D 表表征结构钻片型左手材料的申腾胸应，设计方空灵活 双渔网结构.并在波长为176m的红外波段早现左手效 制各工艺成熟，但限于工艺精度，单元尺寸难以达到纳米量 应。人们优化结构形状的同时还希里通过缩小结构尺寸来 级，其次胞元结构的高离散性限制了其在三维左手材料中的 提高响应频率。伴随着微纳加工技术的发尼，胞元尺寸从率 应用。 米量级发展到微米乃至纳米量级的同时响应频率也从微污 2011年，Li等0利用巴比湿原理，设计一种对于5.28 波段拓展到红外波甚至可见光波段。图1列出了常见的结 GHz以上的左旋圆极化波和5.25GHz以下8.77GHz以上 构贴片型左手材料及其频率明应特性 3.5 4000. 图1结构贴片型左手材料常见结构及其响应[w“ Fig.I The common structure and its response of structure patched LHM 2.2传输线集成型 性推列的电子元件组成，当常规的串联 ,简单的 电感和并联电容位 电容和并联电 获取左手效应 传输线集成型左手 指出 旦算住龙在 用抽象的集总元件参数来描述其电磁 性，通过调诺阻抗和导钠的值来实现特定的电磁响应但其 申联电感，两根导线之向的压差会产生高频电场，线间必然 制备复杂，成本较高 存在并联电容，所以研究更多的是一种复合左右手材料。图 Eleftherides等4：分析了开口谐振环和金属短线组合 2给出了传输线集成型左手材料常见结构。 1994-2016 China Academic nal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
２ 左手材料的分类 目前，随着微纳加工精度的不断提高和新材料的不断挖 掘，左手材料的设计加工呈现五彩斑斓的景象，概括来说左 手材料包括结构贴 片 型［１０，１１，３３－４４］、传 输 线 集 成 型［１４－１６，４５－４９］、 铁氧体复合型［５０－５６］ 和光子晶体［５７－６３］ 四大类别。 ２．１ 结构贴片型 ２００１年，Ｓｍｉｔｈ等［１０，１１］ 根据 Ｐｅｎｄｒｙ的设想，将开口谐振 环和金属短 线 组 合 在 一 起，通过调节这些微结构的物理尺 寸，首次在实验上得到微波波段双负的左手材料，从 而 掀 起 左手材料的研究热潮。之后，人们开始对各种各样“变形”的 金属谐振环进行研究，如单环、双环、单开口、双开口，后来的 渔网型、科赫分形、Ｓ型、Ω 型、π型也都是由经典结构演变而 来。一般用等效媒介理论即等效介电常数εｅｆｆ和等效磁导率 μｅｆｆ来表征结构贴片型左手材料的电磁响应，设计方案灵活， 制备工艺成熟，但限于工艺精度，单元尺寸难以达到纳米量 级，其次胞元结构的高离散性限制了其在三维左手材料中的 应用。 ２０１１年，Ｌｉ等［４１］利用巴比涅原理，设 计 一 种 对 于 ５．２８ ＧＨｚ以上的左旋圆极化波和５．２５ＧＨｚ以下８．７７ＧＨｚ以上 的右旋圆极化波呈现左手效应的互补型左手材料，右旋圆极 化波的品质因子在５．１６ＧＨｚ和８．８ＧＨｚ处为５．２，左旋圆 极化波 的 品 质 因 子 在 ５．３ ＧＨｚ达 到 了 １５。随 后，该 课 题 组［４２］ 又提出了一种由共轭的玫瑰花状手性超材料与连续的 金属线复合而成的左手材料，负折射频带进一步拓宽的同时 其品 质 因 子 提 高 到 了 １８，损 耗 大 大 降 低。２０１２ 年，Ｚｈｏｕ 等［４３］ 通过将光敏物质嵌入到共轭的希腊十字谐振器中，获得 了一种旋光性可调的左手材料，这种左手材料的透射谱、旋 光特性等可以通过红外光的光强进行调节，通过控制激励源 的强度，还可以实现对负折射率的调 节，这种可调的手性超 材料在实际应用方面具有十分重要的意义。传 统 的 印 刷 电 路板刻蚀技术不利于３Ｄ左手材料的发展，Ｖａｌｅｎｔｉｎｅ等［４４］ 创 造性地利用聚焦等离子制备了由相当于１０个介质－金属－介 质功能层的２１层交替出现的银网和氟化镁介质层构成的３Ｄ 双渔网 结 构，并 在 波 长 为１．７６μｍ 的红外波段呈现左手 效 应。人们优化结构形状的同时还希望通过缩小结构尺寸来 提高响应频率。伴随着微纳加工技术的发展，胞元尺寸从毫 米量级发展到微米乃至纳米量级的同时响应频率也从微波 波段拓展到红外波甚至可见光波 段。图１列出了常见的结 构贴片型左手材料及其频率响应特性。 图１ 结构贴片型左手材料常见结构及其响应［１０，１１，３６］ Ｆｉｇ．１ ＴｈｅｃｏｍｍｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｔｓｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｔｃｈｅｄＬＨＭｓ［１０，１１，３６］ ２．２ 传输线集成型 传输线是由周期性排列的电子元件组成，当常规的串联 电感和并联电容位置互换时，电磁波在其中传播的色散关系 类似于负折射材料。传输线集成型左手材料易于跟微带、波 导等集成在一起。用抽象的集总元件参数来描述其电磁特 性，通过调谐阻抗和导纳的值来实现特定的电磁响应，但 其 制备复杂，成本较高。 Ｅｌｅｆｔｈｅｒｉｄｅｓ等［１４，１５］ 分析了开口谐振环和金属短线组合 而成的结构贴片型胞元使用传输线理论，发现胞元可以等效 为一个简单的 ＬＣ单元电路，提出在传统传输线上周期性地 加载串联电容和并联电感可以在特定频段获取左手效应，并 进行了验证性实验。Ｃａｌｏｚ等［４９］指出随着频率的增高，导线 中的电流会在周围产生高频磁场，那么沿导线各点必然存在 串联电感，两根导线之间的压差会产生高频电场，线 间 必 然 存在并联电容，所以研究更多的是一种复合左右手材料。图 ２给出了传输线集成型左手材料常见结构。 · ８２１ · 材料导报 Ａ：综述篇 ２０１５年１２月（上）第２９卷第１２期
左手材料的研完进展与应用前景/张勇等 ·129 面和品格方向的影响，所以要坦获取左手效应还需要入射为 的入射电 布拉格衍射 刻，性价比较但 率下有着很低的电磁损耗，因此其被广远 下的左手效应】 图2传输线集成型左手材料常见结构“，“- 图3铁氧体复合型左手材料常见结构， Fig.2 The common structure of LHMs integrated with Fig.3 The common structure of LHMs mixed transmission line with ferrite 2.3铁氧体复合 2004年Parimi等[提出了利用光子品体来实理负折 磁导率和周期性金属线列阵的负电导 射，并首次在实验上获取了微波光子品体的左手效应。光 品体左手效应是由电磁波在周期性媒质中传播的色敬特性 生长出 引起的，光子品体中的布拉格衍射使得波的相速度和群速度 。铁氧体复合型左手材料结构单元多在纳 反向，Bccr等首次实现了光子品体红外被段的负折射 平场磨任、012年平国君纯[)平用时域右国必分理论和 面波展开法研究外界磁场强度对由硅柱-MFe,O,磁性液体 高段的左手材料。但其制备度和成本较高，成品蜜较 组成的二维光子晶体的带思结构、等颍曲线和左手效应的影 低。铁氢体的铁北必须在外加磁场的发下能发生 响。图4给出了光子品体型左手材料常见结构 不到干左手材料的轻化 正折制：0 底。制成期性负载电容和电感的 给线自 研究了其非互易性左手性能，在外加直流磁场和交变场 情况下，铁氧体在特定带内可是现负破导率 外加 相础鱼折射0 破场强度、金属短线数目对铁氧体复合型左 手材料 的影响，H g等到将铁氧体块与金属开口环 短金属线复合，由于共振频率不同，传统谐振元产生 左手通带，铁氧体提供另一个负磁导率通带。 铁氧体与金 于结构简单、易于加工成为供氧体复合型方 重材的主要结构模式，面仅利用周期性排列的金属磁性 0.35 03 复合左手材料的研究热点。图3给出了铁氧体复合左王 材料的常见结构 0.2 2.4光子品体 0.15 光子品体是两种或两种以上的电介质材料按被长量级 01 周期性排列而成的人造材料，利用其光子禁带和光子局域化 0.05 效应，人们可对特定率的光 子进行精确控制，通过调节构 成材料的电介质的介电常数和材料周期结构来改变其色新 关系，形成类似于电子在品体中那样的能带结枸，从而使特 图4光子品体型左手材料常见结构， 定指内申磁波的相速和群速方向相反，早现左手效应。由 Fig. The of LHMs prepared 破波在光子品体内部传播时受光子品体与周国环境的斯 by photonicc 94-016 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
图２ 传输线集成型左手材料常见结构［１６，４６－４８］ Ｆｉｇ．２ ＴｈｅｃｏｍｍｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＬＨＭｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ［１６，４６－４８］ ２．３ 铁氧体复合型 结合铁氧体的负磁导率和周期性金属线列阵的负电导 率来实现左手效应，其掺杂的方式有薄膜复合型和颗粒复合 型，即在铁氧体基底中生长出金属线阵列或在介电基底上制 备铁氧体颗粒。铁氧体复合型左手材料结构单元多在纳米 量级且其等效均匀性较好，无需周期性结构即可获取左手效 应，胞元的随机分布对其电磁响应性能影响并不大，可 制 备 高频段的左 手 材 料。但其制备难度和成本较高，成 品 率 较 低。铁氧体的铁磁共振必须在外加磁场的激发下才能发生， 不利于左手材料的轻薄化。 ２００９年 Ｔｓｕｔｓｕｍｉ等［５５］在传输线结构中引入铁氧体基 底，制成周期性负载电容和电感的铁氧体左手传输线的同时 研究了其非互易性左手性能，在外加直流磁场和交变磁场的 情况下，铁氧体在特定频带内可呈现负磁导率，分析了外加 磁场强度、金属短线数目对铁氧体复合型左手材料电磁谐振 的影响。Ｈｕａｎｇ等［５６］ 将铁氧体块与金属开口环、Ω 型胞元、 短金属线复合，由于共振频率不同，传统谐振胞元产生一个 左手通带，铁氧体提供另一个负磁导率通带。铁氧体与金属 线的复合结构由于结构简单、易于加工成为铁氧体复合型左 手材料的主要结构模式，而仅利用周期性排列的金属磁性柱 即可实现磁导率和介电常数同时为负，有望成为基于铁氧体 复合左手材料的研究热点。图３给出了铁氧体复合型左手 材料的常见结构。 ２．４ 光子晶体 光子晶体是两种或两种以上的电介质材料按波长量级 周期性排列而成的人造材料，利用其光子禁带和光子局域化 效应，人们可对特定频率的光子进行精确控制，通 过 调 节 构 成材料的电介质的介电常数和材料周期结构来改变其色散 关系，形成类似于电子在晶体中那样的能带结构，从 而 使 特 定频带内电磁波的相速和群速方向相反，呈现左手效应。电 磁波在光子晶体内部传播时受光子晶体与周围环境的截断 面和晶格方向的影响，所以要想获取左手效应还需要入射光 的空间对称性与光子晶体内相应的布拉格衍射模式相匹配， 否则入射电磁波将无法耦合进光子晶体的内部。所以，其对 加工和应用条件要求苛刻，性价比 较 低，但光子晶体在高频 率下有着很低的电磁损耗，因此其被广泛用于获取红外和光 频下的左手效应。 图３ 铁氧体复合型左手材料常见结构［５１，５２］ Ｆｉｇ．３ ＴｈｅｃｏｍｍｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＬＨＭｓｍｉｘｅｄ ｗｉｔｈｆｅｒｒｉｔｅ［５１，５２］ ２００４年 Ｐａｒｉｍｉ等［６１］提出了利用光子晶体来实现负折 射，并首次在实验上获取了微波光子晶体的左手效应。光子 晶体左手效应是由电磁波在周期性媒质中传播的色散特性 引起的，光子晶体中的布拉格衍射使得波的相速度和群速度 反向。Ｂｅｒｒｉｅｒ等［６２］ 首次实现了光子晶体红外波段的负折射 平板聚焦。２０１２年于国君等［６３］采用时域有限差分理论和平 面波展开法研究外界磁场强度对由硅柱－ＭｎＦｅ２Ｏ４ 磁性液体 组成的二维光子晶体的带隙结构、等频曲线和左手效应的影 响。图４给出了光子晶体型左手材料常见结构。 图４ 光子晶体型左手材料常见结构［５８，６３］ Ｆｉｇ．４ ＴｈｅｃｏｍｍｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＬＨＭｓｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ［５８，６３］ 左手材料的研究进展与应用前景／张 勇等 · ９２１ ·
·130 材导报A:综高 2015年12月（上）第29卷第12期 3左手材料的应用 材料制备的定向天线米控制电磁信号传播方向，智能地专向 站发射信号，避免其对用户的 人们继续对左手材料的奇异电磁响应进行理论分析研 实现隐身 容的同时由在计甘装在的成用的是- 传统几何 任可探测技术，只是在 实直正意义上的隐身」 2006年 尖波无法透过镜，这部分光学德里叶分量所包含的关于 物源的信息在成像途中被丢弃了。左手材料制备的平板就 能构成透镜，而且它能放大修失波，可将中途丢失的信息检 何散射和损耗，就像内部的物体完全不存在一样，从面实现 回来，而目还能将一维像占的所有庙里叶分量全部要体，实 真正意义上的隐身。2OO8年Landy等设计基于金属开口 现突破衔射极限的完美透镜。亚波长分辨率的完关透镜将 指振环与短金属线组成的平而阵列结构，首次实现了微波规 给招灵墙单分子摆测和医学成像第领域带来节命性的突时 段的完美吸波器。利用金属短线和金属开口谐振环对等效 但是平板透镜的制备工艺复杂，分辨率受自身损耗和样品表 磁导率和等效介电常数进行优化，使其等效阻抗与自由空问 面相赫度干状较大。2011年.Wng等[利用直径为2一 波阻抗完美匹配，从而实现对入射电磁波磁场分量和电磁分 9m的诱明SiO,微球现在白光照射下分讲率达到入/8一 最的园时完美吸收。由平Pendry根出的隐身斗篷在设 /14且县有4~8倍成像放大功能的远场招分辨成像，其与 过程中需保护申磁波的相位，因而极大地限制了隐身斗率 传统的光学显微镜结合时肉眼可直接观测到超分辨成像 的工作带宽，2013年Chen等提出了一种的设计理 按照经典的天线理论，要想高效地把电磁波通过天线辐 即利用变换光学设计了可以在自然光下工作的由各向同性 射出去，天线的最佳尺寸为1/A波长，左手材料亚波长电磁 的普通豉璃精泣的几何光学隐身斗篷，放弃相位保护后该 响应特性解除了这个尺寸上的物理限制，有利于天线的 对相位和极化不感，并且能够在空气或水中对活物实现 化和集约化设计，目前，手机天线全方向发射信号，通过左手 定规角度的视觉隐身。左手材料的具型应用见图5 ●●●●●●●●●● 图5左手材料的典型应用：天线网：平板适镜四：隐身斗篷m;超分架率成像(d Fig.5 The typical applications of LHMs:antenna (a) speresolutioaimaging(d)r ens (b) invisible cloak (c) 能因技术的进一步突破取得更多成果，目前左手材料朝若 4左手材料的难题及展望 宽频，可调、低损、超薄、各向同性的方向发展。未米左手材 左手材料将成为一种前途不可限量的新型材料，但是目 料的研发应克服以下主要难题，着重于以下研究方向： 前距高真正大规模的产业化还有一定距离，有许多的难题还 (1)左手材料工作频段的研究。微波频段的左手材料研 有特克服，这也将成为未来左手材料研究的主流方向，并可 究已经相对成熟，但红外和可见光顿段的左手材料不仅在理 1994-016 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
３ 左手材料的应用 人们继续对左手材料的奇异电磁响应进行理论分析研 究的同时也在探讨其潜在的应用前景［１６，６４－７３］。传统 几 何 光 学认为没有透镜能将光线聚焦在小于波长尺寸的区域，而且 倏失波无法透过透镜，这部分光学傅里叶分量所包含的关于 物源的信息在成像途中被丢弃了。左手材料制备的平板就 能构成透镜，而且它能放大倏失波，可将中途丢失的信息捡 回来，而且还能将二维像点的所有傅里叶分量全部聚焦，实 现突破衍射极限的完美透镜。亚波长分辨率的完美透镜将 给超灵敏单分子探测和医学成像等领域带来革命性的突破。 但是平板透镜的制备工艺复杂，分辨率受自身损耗和样品表 面粗糙度 干 扰 较 大。２０１１ 年，Ｗａｎｇ 等［７２］利 用 直 径 为 ２～ ９μｍ的透明ＳｉＯ２ 微球实现在白光照射下分辨率达到λ／８～ λ／１４且具有４～８倍成像放大功能的远场超分辨成像，其 与 传统的光学显微镜结合时肉眼可直接观测到超分辨成像。 按照经典的天线理论，要想高效地把电磁波通过天线辐 射出去，天线的最佳尺 寸 为１／４波 长，左手材料亚波长电磁 响应特性解除了这个尺寸上的物理限制，有利于天线的一体 化和集约化设计，目前，手机天线全方向发射信号，通过左手 材料制备的定向天线来控制电磁信号传播方向，智能地专向 基站发射信号，避免其对用户的辐射。现代隐身技术实际上 是通过外形设计、吸波材料、等离子体等方式来实现隐身的 低可探测技术，只是在一定频段内降低了被发现的概率，并 未实现真正意义上的 隐 身。２００６年，Ｐｅｎｄｒｙ等［１８］设 想 利 用 做左手材料的特殊电磁响应拟合通过坐标变换得到梯度变 化的电磁本构参数，控制电磁波从物体表面绕过而不发生任 何散射和损耗，就像内部的物体完全不存在一样，从 而 实 现 真正意义上的隐身。２００８年 Ｌａｎｄｙ等［７３］ 设计基于金属开口 谐振环与短金属线组成的平面阵列结构，首次实现了微波频 段的完美吸波器。利用金属短线和金属开口谐振环对等效 磁导率和等效介电常数进行优化，使其等效阻抗与自由空间 波阻抗完美匹配，从而实现对入射电磁波磁场分量和电磁分 量的同时完美吸收。由于 Ｐｅｎｄｒｙ等提出的隐身斗篷在设计 过程中需要保护电磁波的相位，因而极大地限制了隐身斗篷 的工作带宽，２０１３年 Ｃｈｅｎ 等［７３］提出了一种新的设计理念， 即利用变换光学设计了可以在自然光下工作的由各向同性 的普通玻璃植被的几何光学隐身斗篷，放弃相位保护后该斗 篷对相位和极化不敏感，并且能够在空气或水中对活物实现 一定倾斜角度的视觉隐身。左手材料的典型应用见图５。 图５ 左手材料的典型应用：天线（ａ）［７０］；平板透镜（ｂ）［６４］；隐身斗篷（ｃ）［６５］；超分辨率成像（ｄ）［７０］ Ｆｉｇ．５ ＴｈｅｔｙｐｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＬＨＭｓ：ａｎｔｅｎｎａ（ａ）［７０］，ｓｌａｂｌｅｎｓ（ｂ）［６４］，ｉｎｖｉｓｉｂｌｅｃｌｏａｋ（ｃ）［６５］， ｓｕｐｅｒｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｍａｇｉｎｇ（ｄ）［７０］ ４ 左手材料的难题及展望 左手材料将成为一种前途不可限量的新型材料，但是目 前距离真正大规模的产业化还有一定距离，有许多的难题还 有待克服，这也将成为未来左手材料研究的主流方向，并 可 能因技术的进一步突破取得更多成果。目前左手材料朝着 宽频、可调、低损、超 薄、各向同性的方向发展。未 来 左 手 材 料的研发应克服以下主要难题，着重于以下研究方向： （１）左手材料工作频段的研究。微波频段的左手材料研 究已经相对成熟，但红外和可见光频段的左手材料不仅在理 · ０３１ · 材料导报 Ａ：综述篇 ２０１５年１２月（上）第２９卷第１２期