關于超材料的專利簡介

劉曉瓊（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心， 廣東 廣州 51000）

關于超材料的專利簡介

劉曉瓊（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心， 廣東 廣州 51000）

超材料由于具備超常物理性質而獲得人們越來越多的關注。本文從超材料的專利申請為入手點，對超材料的超常物理性質和應用作一簡單介紹。

超材料；超常物理性質；專利

0 引言

超材料（metamaterial）是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料；其通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通的超常材料功能。

超材料作為一種材料設計理念以及研究前沿，越來越引起人們的關注［1-4］。迄今發展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等，超材料性質往往不主要決定與構成材料的本征性質，而決定于其中的人工結構。

關于超材料的中國專利申請的目前主要來自于各大高校、研究院及其衍生企業。經檢索，關于超材料的中國專利申請為2901篇，其中1386篇專利申請的申請人為深圳光啟高等理工研究院和/或深圳光啟創新技術有限公司團隊；而東南大學、西北工業大學、浙江大學、中國科學技術大學等高校也申請了為數不少的專利。在此，以深圳光啟高等理工研究院和/或深圳光啟創新技術有限公司團隊的專利申請作為著眼點，對超材料作簡要介紹。

1 超材料的超常物理性質

超材料由介質基材和設置上基材上的多個人為結構組成，可以提供各種普通材料具有和不具有的材料特性。單個人為結構大小一般小于1/10個波長，其對外加電場和/或磁場具有電響應和/或磁響應，從而具有表現出等效介電常數和/或等效磁導率，或者等效折射率和波阻抗。人為的結構的等效介電常數和等效磁導率（或等效折射率和波阻抗）由單元幾何尺寸參數決定，可人為設計和控制。

1.1 介電常數

介電常數是材料對電場響應的一個參數，隨著技術日新月異的發展，人們對材料的應用要求越來越高，在某些場合，所需要的介電常數值遠高于自然界已有的材料的介電常數值，現有的介電常數較高的絕緣體也不能達到要求，而人工制造的超材料則可以制造出高的介電常數的材料。如，專利CN102480009A、CN102544739A、CN102738590A等。

1.2 磁導率

目前，國際社會對磁導率方面已有大量的研究，其中對于正磁導率的研究已經趨于成熟，對于負磁導率超材料的研究是現在國內外研究的熱點，負磁導率具有量子極化作用，可以對入射波產生極化作用，因此作用范圍很大，如在醫學成像領域中的磁共振成像技術，負磁導率材料能夠加強電磁波的成像效果，另外負磁導率材料在透鏡研究方面亦有重要作用。專利CN102480055A、CN102593592、CN102683872等是通過不同的人造微結構的設計制備了負磁導率的超材料。

1.3 折射率

超材料內部的折射率分布是超材料表現出超常功能的關鍵部分，不同的折射率分布對應不同的功能。折射率分布越精確，所實現的功能越好。如：專利CN102480005A設計了分段式的折射率變化的超材料；專利CN102544742A通過初始相位法得到能夠控制折射率的超材料。

1.4 波阻抗

隨著現代科學技術的發展，電磁波輻射對環境的影響日益增大。在機場，飛機航班因電磁波干擾無法起飛而誤點；在醫院，移動電話常會干擾各種電子診療儀器的正常工作。因此，治理電磁污染，尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料，已成為材料科學的一大課題。但是，現有的吸波材料有阻抗難以匹配、難以做得很薄的缺陷。而通過設計合適的微結構可制備應用于特殊場合的吸波超材料，如專利CN102480909A、CN102682858A、CN102770009A等。

2 超材料的應用

超材料的應用主要集中于天線，而天線的擴展應用的涉及面較廣，如天線罩、SIM卡、射頻識別系統、濾波器、攝像頭、打印機等等。另外，超材料也常用于核磁共振成像、諧振腔等領域。

3 結語

超材料的提出改變了人們對傳統材料的認識，其是在不違背基本的物理學規律的前提下，通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的材料。超材料為電、磁、光等領域中新材料的設計與開發帶來新的機會。

［1］Veselago V G. The electrodynamics of substance simultaneously negative values of ε and μ［J］. Sov Phys Usp， 1968， 10： 509-514.

［2］Pendry J B. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena［J］. IEEE Trans Microw Theory Tech， 1999， 47： 2075-2084.

［3］程小超，付全紅，婁勇，等.超材料異質結構楔形光波導引起的光譜空間分離現象［J］.科學通報，2010，55：1626-1631.

［4］趙廷，相建凱，李颯，等.基于雙魚網結構的可見光波段超材料［J］.物理學報，2011，60：054211.