超材料技術及其應用展望

一、前言超材料是世紀之交誕生的一個新的科學概念?；谶@一概念，在過去的十幾年中發(fā)展出了一系列具有奇異特性的新型人工材料系統(tǒng)，可望在諸多領域產(chǎn)生顛覆性技術。超材料技術被美國國防部列為“六大顛覆性基礎研究技術”之一，并先后被評選為材料科學領域“50年中的10項重大成果”之一和21世紀前10年10項重大突破之一?！俺牧稀币辉~最初由美國德克薩斯州大學奧斯汀分校教授提出，用來描述自然界不存在的、人工制造的、三維的、具有周期性結(jié)構(gòu)的復合材料。盡管各種科學文獻給出的定義也各不相同，但一般都認為“超材料”是具有通過人工結(jié)構(gòu)作為基本功能單元、能夠?qū)崿F(xiàn)自然材料不具備的超常物理性質(zhì)的人工材料。近年來，典型的超材料如左手材料、“隱身斗篷”、完美透鏡等已在光學、通信、國防等應用領域漸露頭角，而為數(shù)眾多的電磁超材料、力學超材料、聲學超材料、熱學超材料以及基于超材料與常規(guī)材料融合的新型材料相繼出現(xiàn)，形成了新材料的重要生長點。二、超材料的實現(xiàn)方法——以左手材料為例左手材料是一類典型的超材料，這類材料的設計和實現(xiàn)對超材料思想的形成起到了關鍵作用。左手材料的源頭可追溯到科學家于1968年提出的一個思想實驗。他預測，如果有某種材料同時具有負的介電常數(shù)和負的磁導率，電磁波在該材料中傳播時的電場矢量、磁場矢量以及波矢量之間的關系將不再遵循經(jīng)典電磁學中的“右手定則”，而呈現(xiàn)出與之相反的“左手關系”，這時材料中電磁波的波動方向和能量傳播方向相反，并表現(xiàn)出一系列有違常理的行為，例如光的負折射、反常多普勒效應、倏逝波放大、完美透鏡效應，以及反常切連科夫輻射等。然而，眾所周知，同時具有負介電常數(shù)和負磁導率的材料在自然界中是不存在的，因此，的預言在相當長的時間內(nèi)未能得到科學界的重視。直到20世紀90年代中后期，英國物理學家的工作使左手材料的研究出現(xiàn)了柳暗花明的前景，并導致了超材料這一新概念的形成。1996年預言了由金屬線構(gòu)成的陣列可在諧振頻率附近產(chǎn)生出宏觀反常介電常數(shù)的性質(zhì)，1998年又提出通過人工設計具有開口的金屬開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)（SRR）陣列實現(xiàn)反常有效磁導率?；谏鲜鏊悸?，2000年，利用電路板加工方法，制備了金屬線與SRR結(jié)構(gòu)陣列復合結(jié)構(gòu)，直接觀測到了微波頻段的左手性電磁波透射通帶和負折射行為（見圖1）。圖1

基于金屬線與SRR結(jié)構(gòu)陣列復合結(jié)構(gòu)的左手材料左手材料的實現(xiàn)改變了人們的一些固有觀念，昭示人們可以在不違背物理學基本規(guī)律的前提下，通過人工功能單元的設計，獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”。從材料科學的角度看，超材料的意義遠遠超越了左手材料等幾種人工材料本身，它提供了一種全新的材料獲取方法，即針對需求進行逆向設計，通過設計“人工材料基因”來構(gòu)建材料的功能。三、若干重要研究和工程應用進展超材料的重大科學價值及其在諸多應用領域呈現(xiàn)出革命性的應用前景得到了世界各國政府、科技界、產(chǎn)業(yè)界，以及國防部門的密切關注。美國國防部啟動了關于超材料的多項研究計劃，美國大型的半導體公司如英特爾、美國超威半導體（AMD）和國際商業(yè)機器公司（IBM）等也成立了聯(lián)合基金資助相關研究。歐盟組織了50多位頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，并給予高額經(jīng)費支持。日本在經(jīng)濟低迷之際出臺了一項研究計劃，支持至少兩個關于超材料技術的研究項目，每個項目的研究經(jīng)費約為30億日元。超材料的研究和工程化應用在近年來得到了迅速發(fā)展。在電磁超材料方面，科學家對各種電磁諧振結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，發(fā)展出了多種基于金屬線和SRR環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)結(jié)構(gòu)的人工原子，并設計研制出了隱身斗篷、完美透鏡等新型超材料器件；與此同時，將微納加工技術引入到了超材料的制備，發(fā)展出了可在光學頻段下工作的各種超材料和器件。近年來，超材料也從電磁領域逐漸走向了力學、聲學、熱學以及傳質(zhì)等領域，一系列具有超常性質(zhì)和奇異功能的新型超材料相繼問世。（一）超材料“隱身斗篷”2006年，發(fā)表了關于設計電磁隱身衣的新方法。他們指出，具有特定磁導率和介電常數(shù)分布的超材料可以控制電磁波傳播，并干擾電磁波的傳播軌跡，使其發(fā)生彎曲。因此，可以利用電磁超材料制備的套型裝置，引導電磁波繞過目標物體之后返回原始的傳播軌跡，給觀察者造成一種物體不存在的假象，可以使放置在其內(nèi)部的物體“隱身”，不被外界探測到。在此基礎上，對材料的參數(shù)進行了簡化，實驗驗證了世界上首個超材料隱身衣，從隱身衣外部無法探測到隱身衣內(nèi)部物體的信息，實現(xiàn)了完美隱身。近年來，科學家對超材料隱身衣技術做了進一步的改進和優(yōu)化，以期獲得隱身性能更好、頻帶更寬、超材料結(jié)構(gòu)更輕薄的超材料系統(tǒng)（見圖2）。圖2

超材料隱身斗篷原理示意圖與傳統(tǒng)隱身技術相比，超材料隱身的特點是靠導引電磁波，而不是靠吸收電磁波，因此沒有目標影子，是國防軍工領域的一項顛覆性技術，得到了各國軍工界的廣泛重視。目前，基于超材料隱身斗篷技術已開始在軍事裝備中獲得應用。（二）基于超材料的新型無源電子元器件電磁介質(zhì)是無源電子元器件的材料基礎和技術核心。傳統(tǒng)的無源元件基于常規(guī)介質(zhì)材料，介電常數(shù)和磁導率均為大于1的正值，且不會特別高。超材料技術可以實現(xiàn)具有負值、超低或超高介電常數(shù)或磁導率的人工電磁介質(zhì)，為一些具有變革性的新型無源電子元器件的出現(xiàn)提供了條件。天線是超材料應用的較為成功的一類器件。利超材料超常的電磁性質(zhì)和高度可設計的特點，人們成功地開發(fā)出多種具有高性能、能滿足各種特殊要求的天線，實現(xiàn)了天線的小型化、高效、高增益、共型化、高信號選擇性等。例如，提出了基于超材料的天線空間匹配的概念，可有效地抵消電抗，提高天線的輻射效率，同時通過空間耦合成為天線的寄生輻射元增益，可將天線尺寸大幅縮小，輻射效率大幅提高。利用復合左/右手（CRLH）傳輸線結(jié)構(gòu)設計出的天線，借助于零階諧振，天線的尺寸可以任意地小。利用零折射率超材料的出射面趨近平行于法線的方向射入自由空間的特性，可以有效地使電磁波匯聚，提高陣列天線的方向性和增益。目前，在通信等領域的一些天線中已融合了超材料技術。在無源集成領域，筆者首次提出了基于負介電常數(shù)的無繞線電感技術。利用平板電容結(jié)構(gòu)，以負介電常數(shù)材料作為介質(zhì)產(chǎn)生類似于電感器的交流響應，有效解決了無源集成模塊中電感器復雜的繞線結(jié)構(gòu)占據(jù)大量布線空間、導致復雜工藝及對周圍元器件產(chǎn)生漏磁干擾的問題。（三）超材料減震技術機械/聲學超材料近年來發(fā)展迅速，這類超材料有迫切的工程需求。機械超材料是對各種力學作用做出超常響應的人工材料，按所調(diào)控的彈性模量不同可分為超強、超硬超材料，可調(diào)節(jié)剛度超材料，負壓縮性超材料，反脹、拉脹超材料和智能超流體。利用這些超常力學性質(zhì)，可以開發(fā)出很多應用功能，其中一個成功的工程應用領域是減震和降噪。目前常用超材料實現(xiàn)減震降噪的方案很多，其中一個方案是利用電磁波“隱身斗篷”類似的坐標變換原理，將受保護物體利用特殊設計的力學超材料包覆起來，使機械波繞開物體。這一思路也被用于大型建筑及城市的地震防護。此外，利用具有負泊松比（受到拉力時發(fā)生側(cè)向膨脹）超材料和負剛度超材料的組合，科學家成功地研制出了能夠抑制許多不同頻率的振動的新型防震結(jié)構(gòu)，可望應用于運送早產(chǎn)兒的車輛上。四、值得關注的顛覆性技術（一）超材料透鏡超材料透鏡是一類典型的顛覆性技術。傳統(tǒng)透鏡受到衍射極限的約束限制，光學器件無法對尺度小于半個工作光波長的物體成像，其深層物理原因是常規(guī)介質(zhì)中倏逝波的衰減。2000年，在理論上提出了負折射材料可以用于制作超透鏡的想法，并證明了當介質(zhì)的介電常數(shù)為負數(shù)時，電磁波中的倏逝波成分會被放大，其中所攜帶的信息就可以在負折射率介質(zhì)材料中傳播。由負折射材料制備的平板具有成像的功能，物體發(fā)射出的光線會經(jīng)負折射率平板前后界面兩次折射后重新匯聚在一起，進而實現(xiàn)無衍射極限的成像（見圖3）。圖3

超透鏡原理示意圖近年來，各種超透鏡的設計層出不窮，由于在超材料加工上的困難，對于可見光頻段的超透鏡在實驗方面進展較慢。2015年，Sun等設計并研制出了一種可進行單個分子成像和癌細胞檢測的透鏡——超材料超透鏡，可將光學內(nèi)視鏡的成像分辨率從10000nm提高至250nm或更好。最近，開發(fā)了一種新型平面光學透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)，并且還能與圖像傳感器進行集成，可望用于小型化的相機和顯微鏡中，并擴展其功能和操作方式。超材料透鏡在生物、材料、微電子學、光學工程領域都有急切的要求。可以對病毒和DNA分子、細胞以及各種材料的顯微結(jié)構(gòu)等在自然環(huán)境中進行直接觀察。同時，基于超材料的完美透鏡可實現(xiàn)亞波長尺度的光刻，一旦實現(xiàn)將使微電子加工技術水平大幅度提高，從而進一步延續(xù)集成電路的摩爾定律。（二）全光信息元器件全光信息技術是信息技術發(fā)展的重要方向，是突破電子技術“摩爾定律”物理極限的主要途徑。盡管這一技術原理已趨于完善，但在實際應用中面臨著一系列器件的實現(xiàn)問題，其中作為邏輯光路的核心部件的全光開關器件是光信息技術的主要難點。常規(guī)全光開關借助于光學非線性過程，需要較高（遠高于信號）的驅(qū)動光功率（非線性閾值），同時材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變和弛豫過程需要相對較長的響應時間（開啟和關閉時間）。高閾值功率和低響應速度是全光開關技術走向應用的主要障礙。超材料為構(gòu)筑新型全光開關器件提供了新的可能性。筆者首次提出了一種基于超材料中模態(tài)耦合的全光開關的設計思想：利用介質(zhì)超材料中人工原子可承載多個諧振模態(tài)的特性，通過兩束電磁波導致的電磁諧振模態(tài)發(fā)生相互耦合，改變通過材料的信號波傳播特性，進而實現(xiàn)全光調(diào)制。由于這種新機制無需通過非線性光學過程參與，所獲得的全光開關器件將具有低開關閾值和極高的開關速度，從根本上解決制約光開關技術的兩大核心問題，即開關閾值和開關速度問題，從而突破全光信息技術的瓶頸（見圖4）。圖4

超材料全光開關原理示意圖（三）超材料與常規(guī)材料的融合超材料是一種特殊的材料。超材料與常規(guī)材料相比，其界面非常清晰，超材料的功能主要來源于人工結(jié)構(gòu)，與源于自然結(jié)構(gòu)的常規(guī)材料完全不同。兩類材料的優(yōu)勢和劣勢完全相反，常規(guī)材料源于自然，易于獲得，但難于設計和剪裁；超材料則剛好相反，易于設計和剪裁，但不容易獲得。鑒于此，筆者提出了通過超材料與常規(guī)材料的融合構(gòu)建新型功能材料的概念，并在此基礎上發(fā)展出了介質(zhì)基電磁超材料、本征型超材料介質(zhì)及若干種基于超材料原理的“常規(guī)材料”（見圖5）。圖5

超材料與常規(guī)材料的融合超材料與常規(guī)材料的融合能夠發(fā)展出一些新的材料，為突破常規(guī)材料的性能極限開辟了新的道路。常規(guī)材料的性能主要取決于材料的自然結(jié)構(gòu)，如原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、化學鍵結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、晶粒–晶界結(jié)構(gòu)等。隨著材料科學和技術的進步，人們對這些結(jié)構(gòu)的操控能力逐漸增強，材料的性能不斷提高，越來越趨近于材料的自然極限。同時，自然單元和結(jié)構(gòu)間的相互關聯(lián)和相互影響，也決定了人們無法隨心所欲地對材料性能進行精準操控。超材料結(jié)構(gòu)單元簡單，易于被操控，因此可望成為突破常規(guī)材料功能極限的一種途徑。超材料與常規(guī)材料的融合也是超材料走向工程化應用的一個捷徑。狹義的超材料是具有常規(guī)材料所不具備性質(zhì)的人工材料，盡管其性能極具吸引力，但真正形成對應的產(chǎn)業(yè)技術尚需要一個發(fā)育期。而利用超材料的方法構(gòu)筑具有優(yōu)異性能的“人工常規(guī)材料”，則可望借助已有的工業(yè)技術系統(tǒng)，將超材料迅速推向工程化。五、技術難點及政策建議超材料的應用可能導致眾多領域的技術變革，目前這些技術變革正處于醞釀階段，值得密切關注和期待。作為一大類全新的材料系統(tǒng)，從超材料的研發(fā)到產(chǎn)生顛覆性技術需克服一系列技術障礙。主要體現(xiàn)在以下幾點。（1）超材料的模擬設計技術。目前超材料的研究以原理性探索為主，模擬仿真技術基于簡單模型和通用的模擬軟件，而實際應用的器件設計需要考慮多種服役因素、多場耦合和海量計算，各種超材料的專用設計技術尚需進一步發(fā)展。（2）超材料的制備技術。超材料制備需要精密的材料加工，特別是一些電磁超材料（如太赫茲以上頻率的電磁超材料）的制備依賴于相關加工技術的進步。（3）大尺寸超材料的工程可行性和服役性能。超材料由大量的人工結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，這種單元陣列的可工程化及其服役性能（如機械性能、熱性能等）是其應用的難點，例如，利用電磁斗篷實現(xiàn)軍事目標的完美隱身需要在其外面包覆較厚的超材料“鎧甲”，如何將其減薄是一個重要難題。為推動超材料技術的發(fā)展，建議采用以下措施：（1）加強對超材料及其工程化領域的研發(fā)投入。在國家和地方各類科研計劃中提高對超材料研究的投入。面向技術路線清晰的重大需求，啟動相關研究專項，通過示范性研發(fā)，帶動通用技術的完善