超材料

1、超材料：科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的一種新前沿摘要摘要：超材料指的是一些具有自然界的天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，在近十年來已經(jīng)成為了材料科學(xué)、物理、化學(xué)以及工程學(xué)等學(xué)科的前沿發(fā)展方向。本文對(duì)超材料的基本理論與原理、最新的進(jìn)展以及未來的發(fā)展方向做了詳細(xì)的介紹。首先展示了超材料的基本原理與理論以及發(fā)展歷程，其次針對(duì)最新發(fā)展做了介紹，包括超透鏡、隱身斗篷和光子晶體以及超材料制備等。最后，本文對(duì)超材料研究的未來發(fā)展方向與趨勢(shì)作了

2、詳細(xì)討論。關(guān)鍵字：超材料負(fù)折射完美透鏡光子晶體材料制造1引言引言在3000多年前，人類就掌握了制銅技術(shù)，并學(xué)會(huì)了制作較高性能的銅合金的方法。在2000多年前人們又掌握了煉鐵技術(shù)。在20世紀(jì)六十年代，半導(dǎo)體材料飛速發(fā)展起來。人們?cè)诶眠@些材料基本是在原子與分子級(jí)別。近些年來納米技術(shù)又飛速的發(fā)展，在納米尺寸級(jí)別人類又有很多重要的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明。超材料是一種與上面所介紹的材料都不一樣的全新材料。它提供了一種可以讓人們隨心所欲的制造具有許多特殊物理

3、性質(zhì)的全新思路與方法。超材料的基本設(shè)計(jì)思路是以某種具有特殊功能的人工結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。例如，材料中所呈現(xiàn)的一些物理性質(zhì)往往和材料結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵物理尺度有關(guān)，一個(gè)最直觀的例子是晶體。晶體是自然界中物質(zhì)的有序結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要形式，它的有序主要存在于原子層次，正是由于在這個(gè)尺度上的有序性調(diào)制，使晶體材料形成了一些無定型態(tài)所不具備的物理特征，上面所提到的半導(dǎo)體材料中最重要的單晶硅即是一種典型的晶體。由此類比，在其它層次上的有序排列則可能獲得一定程度的自然

4、界中的材料所不具備的物理性質(zhì).。因此，人們可以通過各種層次的有序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理量的調(diào)制，從而獲得自然界中在該層次上無序或無結(jié)構(gòu)的材料所不具備的物理性質(zhì)。2基本原理基本原理按照定義，和單位矢量成右手系，所以以上兩式左邊系數(shù)必須都為正。即要求折2射率介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同號(hào)。.0n000n00??????????????????時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)即從理論上推證了同時(shí)小于零的情況。由于在此介質(zhì)中，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢成左手系，所以負(fù)折射材料又稱左手材料

5、，如圖1所示。圖1a圖1b圖1a，圖1b光線從正折射率材料射入負(fù)折射率材料時(shí)發(fā)生的負(fù)折射現(xiàn)象然而負(fù)折射率材料的構(gòu)想雖然很有趣，但是自然界中并不存在這種材料。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Pendry[2]從麥克斯韋方程和物質(zhì)本構(gòu)方程出發(fā)，通過理論計(jì)算指出：（1）間距在金屬細(xì)線在毫米級(jí)的格子具有類似等離子體的物理行為，共振頻率在GHz與低于此頻率時(shí)介電常數(shù)出現(xiàn)負(fù)值；（2）利用非磁性導(dǎo)電金屬薄片構(gòu)成開環(huán)共振器（Splitringresonat，SRRs

6、）并組成方陣，可實(shí)現(xiàn)負(fù)的有效磁導(dǎo)率，而且負(fù)的磁導(dǎo)率是可調(diào)的，這是自然界的物質(zhì)無法達(dá)到的。Smith等[3]人按照Pendry的理論構(gòu)想，利用金屬銅的開環(huán)共振器和導(dǎo)線組成二維周期性結(jié)構(gòu)，首次在試驗(yàn)上制造出微波波段具有負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率的介質(zhì)，如圖2。這種人工介質(zhì)對(duì)微波表現(xiàn)出反常的折射方向。隨后，Eleftheriades等[3]和Parazzoli等[4]分別發(fā)表了微波波段負(fù)折射率的報(bào)告。兩組科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到了逆折射定律：折射發(fā)