淺析三維超材料在光電領(lǐng)域的制造應(yīng)用

張頎

摘要：三維超材料在光電領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行很多應(yīng)用，本文從超材料設(shè)計(jì)原理、三維超材料制造工藝以及在光電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：三維超材料；光電；制造

據(jù)外媒報道，法國國家科學(xué)研究中心和波爾多國立高等化學(xué)物理學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究人員運(yùn)用物理化學(xué)過程以及微流體技術(shù)，把相關(guān)過程和技術(shù)結(jié)合起來，研發(fā)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(yōu)勢，在光電制造領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

一、超材料設(shè)計(jì)原理

超材料從本質(zhì)上講，是一種單元結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長的人工周期結(jié)構(gòu)，而且具有普通材料所沒有的一些超常規(guī)物理特性，比如：負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)等。材料的電磁性質(zhì)取決于其單元結(jié)構(gòu)，而不是材料本身特征。通過改變單元結(jié)構(gòu)的形態(tài)和分布，可以很方便調(diào)控其電磁方面特性，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人工電磁波傳播，所以超材料在許多領(lǐng)域，如通信技術(shù)、光學(xué)成像等方面都有著很好的前景。

一般來講，可以根據(jù)材料構(gòu)成不同將其分為兩個大類，分別是電介質(zhì)型和金屬諧振型。電介質(zhì)型是有電介質(zhì)材料來實(shí)現(xiàn)的超材料結(jié)構(gòu)，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如構(gòu)成簡單、損耗小、各向同性等特點(diǎn)。通過控制超材料單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，并設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使內(nèi)部產(chǎn)生所需要的電磁參數(shù)分布，來產(chǎn)生電磁波的彎曲、增強(qiáng)、匯聚等，達(dá)到控制電磁波的目的，可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線、電磁黑洞等功能器件。金屬諧振型是通過金屬連續(xù)線、分割線和開口環(huán)結(jié)構(gòu)等單元結(jié)構(gòu)對射入電磁波的磁場量產(chǎn)生磁諧振響應(yīng)，以獲得負(fù)等效磁導(dǎo)率，進(jìn)而產(chǎn)生出具有負(fù)介電常數(shù)及負(fù)磁導(dǎo)率超材料。以此產(chǎn)生的特殊的電磁性，包括非線性效應(yīng)、負(fù)折射現(xiàn)象等，可以實(shí)現(xiàn)完美透鏡成像、隱身斗篷等新型器件。

二維材料在光電領(lǐng)域產(chǎn)生了許多成果，但是其物理和化學(xué)特點(diǎn)仍然決定了它還存在許多不足，主要表現(xiàn)在其難以滿足于復(fù)雜多樣的使用需求，而且還有難以實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)移到新材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和功能創(chuàng)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(jié)構(gòu)構(gòu)成的人工周期結(jié)構(gòu)。它的制造工藝主要有印刷電路板堆疊組裝、機(jī)械加工及組裝、微電子刻蝕工藝、3D打印工藝。下面分別進(jìn)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(jié)構(gòu)一種超材料制造方法，具體地講是由印在介質(zhì)基底上的周期性排列技術(shù)圖案結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，這種單元結(jié)構(gòu)特征尺度大部分在毫米量級區(qū)間，主要用途在制造微波波段二維超材料，例如：負(fù)折射率超材料、電磁波吸收的超表面等等。

機(jī)械加工及組裝是通過機(jī)械加工的方式來構(gòu)造亞波尺度的微單元結(jié)構(gòu)，并且組成周期性排布的宏觀結(jié)構(gòu)全介質(zhì)超材料的方法。這種方法的特點(diǎn)是可以制造出多種三維超材料器件，但是在實(shí)際加工能力上很難滿足較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yīng)用在紅外波段、太赫茲波段甚至是光波段等高頻波段擴(kuò)展的重要方式。雖然此種方法已經(jīng)應(yīng)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(diǎn)，限制了它在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)制造的發(fā)展。

3D打印技術(shù)是通過逐層累加、自上而下來制造實(shí)體零件的技術(shù)，這種方法有利于實(shí)現(xiàn)超材料器件的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)一體化制造。但是，這種方法較難實(shí)現(xiàn)多種材料結(jié)構(gòu)的同步制造，這樣就限制了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間，還有一個就是三維全介質(zhì)結(jié)構(gòu)承載等力學(xué)特性較差，不能滿足實(shí)際應(yīng)用。

三、三維超材料在光電領(lǐng)域典型應(yīng)用

三維隱身罩是采用變化光學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)而引導(dǎo)電磁波繞過隱身罩包圍的空間并且在后方重構(gòu)入射時的形態(tài)，從本質(zhì)上講，這就相當(dāng)于隱身罩保護(hù)了罩內(nèi)區(qū)域的電磁波傳播，這樣就實(shí)現(xiàn)了隱身目的，三維透鏡天線是利用超材料的負(fù)折射效應(yīng)制備成的平板，從而作為超級透鏡來實(shí)現(xiàn)完美成像，優(yōu)點(diǎn)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(gòu)造出漸變折射率透鏡，實(shí)現(xiàn)對光和電磁波的調(diào)控。三維超材料吸波結(jié)構(gòu)利用等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率產(chǎn)生電磁損耗特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)對電磁波的吸收。可變形智能超材料是通過可變形單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)相同而宏觀結(jié)構(gòu)不同的情況，來擴(kuò)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(yīng)用，在有著自身優(yōu)點(diǎn)的同時，也存在著這樣或那樣的缺點(diǎn)，這就需要研究者不斷往復(fù)創(chuàng)新。具體來講，可以從以下幾個方面進(jìn)行突破：一是復(fù)雜微/宏結(jié)構(gòu)跨尺度制造。微結(jié)構(gòu)即平常所說的單元結(jié)構(gòu)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(diào)控，宏觀結(jié)構(gòu)則決定著超材料的功能和應(yīng)用，采用跨尺度制造技術(shù)將可以實(shí)現(xiàn)新型超材料功能器件的發(fā)展與應(yīng)用。二是多材料結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)三維諧振型超材料結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造。三是多功能耦合超材料結(jié)構(gòu)制造。多功能耦合超材料結(jié)構(gòu)制造充分考慮了其材料的力學(xué)及其他相關(guān)性能，可以有效解決輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、電/電磁、力/電磁、熱/電磁等多功能耦合新型超材料結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。四是智能超材料結(jié)構(gòu)的4D打印制造。這種方法可以通過外界條件的改變，在結(jié)構(gòu)制造完成后，對其進(jìn)行變形，實(shí)現(xiàn)對功能的可控調(diào)節(jié)，進(jìn)一步制造出智能超材料。

三維超材料的主要特點(diǎn)在于可以突破傳統(tǒng)材料的束縛，構(gòu)造出功能新型、技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)的電磁功能結(jié)構(gòu)。在不久的將來，跨尺度、多材料、智能超材料結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)將會成為超材料的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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