淺析三維超材料在光電領域的制造應用

張頎

摘要：三維超材料在光電領域已經進行很多應用，本文從超材料設計原理、三維超材料制造工藝以及在光電領域的應用進行闡述。

關鍵詞：三維超材料；光電；制造

據外媒報道，法國國家科學研究中心和波爾多國立高等化學物理學院等機構的研究人員運用物理化學過程以及微流體技術，把相關過程和技術結合起來，研發出了世界上第一個三維超材料。三維超材料有其自身特殊優勢，在光電制造領域應用前景廣泛。

一、超材料設計原理

超材料從本質上講，是一種單元結構尺寸遠遠小于工作波長的人工周期結構，而且具有普通材料所沒有的一些超常規物理特性，比如：負折射率、逆多普勒效應等。材料的電磁性質取決于其單元結構，而不是材料本身特征。通過改變單元結構的形態和分布，可以很方便調控其電磁方面特性，從而進一步實現人工電磁波傳播，所以超材料在許多領域，如通信技術、光學成像等方面都有著很好的前景。

一般來講，可以根據材料構成不同將其分為兩個大類，分別是電介質型和金屬諧振型。電介質型是有電介質材料來實現的超材料結構，它具有許多優點，如構成簡單、損耗小、各向同性等特點。通過控制超材料單元結構的幾何參數，并設計結構使內部產生所需要的電磁參數分布，來產生電磁波的彎曲、增強、匯聚等，達到控制電磁波的目的，可以實現雷達天線、電磁黑洞等功能器件。金屬諧振型是通過金屬連續線、分割線和開口環結構等單元結構對射入電磁波的磁場量產生磁諧振響應，以獲得負等效磁導率，進而產生出具有負介電常數及負磁導率超材料。以此產生的特殊的電磁性，包括非線性效應、負折射現象等，可以實現完美透鏡成像、隱身斗篷等新型器件。

二維材料在光電領域產生了許多成果，但是其物理和化學特點仍然決定了它還存在許多不足，主要表現在其難以滿足于復雜多樣的使用需求，而且還有難以實現路徑控制、極化敏感、非均勻性、工作頻帶窄等一系列問題。而且這些問題，單位超材料則可以很好地解決，這就使得人們把研究方向逐步轉移到新材料結構設計、制造工藝和功能創新上。

二、三維超材料制造工藝

三維超材料不同于二維材料，是具有三維空間特定排布的、并且由亞波長單元結構構成的人工周期結構。它的制造工藝主要有印刷電路板堆疊組裝、機械加工及組裝、微電子刻蝕工藝、3D打印工藝。下面分別進行闡述。

印刷電路板工藝可以說是目前為止最為典型的金屬結構一種超材料制造方法，具體地講是由印在介質基底上的周期性排列技術圖案結構單元構成，這種單元結構特征尺度大部分在毫米量級區間，主要用途在制造微波波段二維超材料，例如：負折射率超材料、電磁波吸收的超表面等等。

機械加工及組裝是通過機械加工的方式來構造亞波尺度的微單元結構，并且組成周期性排布的宏觀結構全介質超材料的方法。這種方法的特點是可以制造出多種三維超材料器件，但是在實際加工能力上很難滿足較為復雜結構的超材料，另外，手工組裝方式在一定程度上限制了其精度。

微電子刻蝕工藝是應用在紅外波段、太赫茲波段甚至是光波段等高頻波段擴展的重要方式。雖然此種方法已經應用到一些三維超材料的制造過程中，但是其工藝制造成本高、周期長等缺點，限制了它在實現復雜三維結構制造的發展。

3D打印技術是通過逐層累加、自上而下來制造實體零件的技術，這種方法有利于實現超材料器件的宏觀和微觀結構一體化制造。但是，這種方法較難實現多種材料結構的同步制造，這樣就限制了其結構設計空間，還有一個就是三維全介質結構承載等力學特性較差，不能滿足實際應用。

三、三維超材料在光電領域典型應用

三維隱身罩是采用變化光學設計，進而引導電磁波繞過隱身罩包圍的空間并且在后方重構入射時的形態，從本質上講，這就相當于隱身罩保護了罩內區域的電磁波傳播，這樣就實現了隱身目的，三維透鏡天線是利用超材料的負折射效應制備成的平板，從而作為超級透鏡來實現完美成像，優點在于其高分辨率突破了“衍生極限”。另外，利用特定的折射率分布，可以構造出漸變折射率透鏡，實現對光和電磁波的調控。三維超材料吸波結構利用等效介電常數和磁導率產生電磁損耗特點，來實現對電磁波的吸收。可變形智能超材料是通過可變形單元結構實現微觀結構相同而宏觀結構不同的情況，來擴大超材料的適用范圍。

通過以上的分析，可以看出，不管是哪種工藝和應用，在有著自身優點的同時，也存在著這樣或那樣的缺點，這就需要研究者不斷往復創新。具體來講，可以從以下幾個方面進行突破：一是復雜微/宏結構跨尺度制造。微結構即平常所說的單元結構使影響超材料電磁性能的核心，對其加工能力會直接影響著對電磁波的調控，宏觀結構則決定著超材料的功能和應用，采用跨尺度制造技術將可以實現新型超材料功能器件的發展與應用。二是多材料結構一體化制造，通過把介電材料和金屬材料同步制造來推動實現三維諧振型超材料結構的創新設計和制造。三是多功能耦合超材料結構制造。多功能耦合超材料結構制造充分考慮了其材料的力學及其他相關性能，可以有效解決輕質結構、電/電磁、力/電磁、熱/電磁等多功能耦合新型超材料結構的實現。四是智能超材料結構的4D打印制造。這種方法可以通過外界條件的改變，在結構制造完成后，對其進行變形，實現對功能的可控調節，進一步制造出智能超材料。

三維超材料的主要特點在于可以突破傳統材料的束縛，構造出功能新型、技術容易實現的電磁功能結構。在不久的將來，跨尺度、多材料、智能超材料結構的制造技術將會成為超材料的發展方向。

參考文獻：

[1]崔萬照，馬偉，邱樂德，等.電磁超介質及其應用[M].北京：國防工業出版社，2008.

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