Merger of Metamaterials and Natural Materials

Ji Zhou

Department of Materials Science & Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084 zhouji@mail.tsinghua.edu.cn

Abstract: Metamaterials are a class of artificial material system with novel properties not found in naturally existed materials. The author propoosed the idea about merger of metamaterials and natural materials to break some limitations of metamaterials and explore the application of metamaterials in improvement of functional materials. A brief review on the recent progress on this area are reviewed in this paper.

Keywords: metamaterials, photonic crystals, left-handed materials, natural materials

Metamaterials（超材料）与天然材料的融合

周 济 清华大学材料科学与工程系，北京 100084

zhouji@mail.tsinghua.edu.cn

摘 要：Metamaterials（超材料）指的是一些通过人工设计的结构实现现出天然材料所不具备的超常

物理性质的材料系统。为了应对 metamaterials 发展所面临的若干制约问题，同时拓展 metamaterials

思想在功能材料性能改进与提高中的应用，作者提出了 metamaterials 与天然材料融合的思想。本文

综述了作者课题组近来在该领域开展的一些研究工作。

关键词：超材料，光子晶体，左手材料，天然材料

1、引言

Metamaterials（超材料）指的是一些具有人工设

计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质

的材料系统。其主要特征在于：超常物理性质主要来

源于其中的人工结构，而与构成这种材料系统的原始

材料无关。这一特征使 metamaterials 在设计思路上

有别于传统上的人工结构材料或复合材料。

由于 metamaterials 奇异的物理性质及其在诸多

领域的潜在应用前景，这类材料系统已成为物理学和

材料学领域一个研究热点。近年来，以来“光子晶体”、

“左手材料”及“隐身衣”为代表的 metamaterials 先

后多次被美国《科学》杂志评为年度的“十大重要进

展”[1-3]。2008 年，metamaterials 又被《今日材料》

杂志评选为材料科学领域“50 年中的 10 项重大成果”

之一[4]。

近年来，本课题组致力于 metamaterials 与天然材

料的融合的研究，初步研究表明，两者的融合不仅可

以克服制约 metamaterials 发展的若干困难，也为功能

材料的改进和提高提供了新的途径。

2、Metamaterials 的制约问题

Metamaterials 的设计思路不仅拓展了功能材料

的性能空间，也为材料的功能的设计和剪裁提供了新

的途径。然而，作为一种人工结构体系，“超材料”在

某些方面也受到一定的制约，特别是在光波和光波以

上频段这些制约将更为严重。其主要问题表现在：

（1）加工技术极限：金属基人工超材料的结构单

元尺度要求远小于与其作用的电磁波波长，以满足连

续介质近似。光学波段 metamaterials 的结构单元尺度

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将在纳米-埃量级。对于需要一定宏观尺度和三维结构

以获得宏观性质的块体而言，这种人工材料的制备已

触及了目前的纳米加工技术的极限；

（2）物理极限：当光频电磁波与纳米尺度的复杂

金属结构相互作用时，其内部电子受人工结构尺寸的

限制，运动方式与宏观尺度情况下（如在微波、毫米

波 metamaterials 中）很不相同，其中的尺寸效应、表

面/界面效应、电阻效应等将更为明显，适用于宏观尺

度的材料设计模型将失效，使得光频 metamaterials 的

性质无法准确设计；

（3）材料学极限：金属材料本身属于高电磁损耗

材料。而在其高频损耗中占主要部分的涡流损耗与频

率的平方成正比。因此在光学频段其电磁损耗将十分

严重，这决定了金属基人工介质在光频很难具有在低

频时所呈现的良好的电磁波传输特性；

（4）可调性制约：如果考虑 metamaterials 的性

质与构成它们的原始材料无关，一般超材料需要的人

工结构往往难以在其工作状态下通过外场实现调节，

这将大大制约这类体系在器件中的应用。

3、Metamaterials 与天然材料融合的若干尝

试

（1） 通过功能材料的引入实现 metamaterials

的可调

按照 Metamaterials 的基本设计思想，其超常物理

性能与构成其结构的材料关系不大。传统上，构成

metamaterials 的材料往往是一些“惰性”材料。2000

年，我们率先提出了将功能材料（铁电体）作为一种

“活性”材料引入到光子晶体中作为介电背景，实现

光子带隙可调的思想，并利用溶胶凝胶过程将 BaTiO3

引入到了聚苯乙烯微球晶体，直接观察到了光子带隙

随温度的变化[5]。此后国内外学者的铁电体基光子晶

体开展了大量的研究，并发展出可调光子晶体器件。

近年来，我们课题组利用在利用液晶和铁氧体作为

SRR 环的环境、利用电场和磁场调制微波左手材料方

面也取得了一些进展[6-7]。

（2） 利用光子带隙结构改进传统光电材料

光子带隙结构不仅自身能产生出多种光功能，也

能够提供一种特殊的物理环境――具有波长尺度的介

电周期场。这种物理环境为调制各种已有的光电材料

中光与材料的相互作用及其光物理过程、改进材料的

光电性质提供一种新的可能性。由于光子带隙存在导

致的各种物理环境的变化，在光子带隙结构的调制下

的“传统的”光电功能材料中光与材料相互作用的过

程、强度、频率依赖性等也将随着改变，使材料宏观

光电性质受到调制。光子带隙的存在将改变材料中光

子“态密度”的能量分布，从而改变材料的透射、吸

收、发射以及发射光谱，使材料中与光谱相关的一些

性质和功能发生改变。而在光子禁带的边缘,群速度迅

速减小而趋于 0,光的在材料传播具有显著的带边延

迟效应。而在反常色散区,群速度为负值,光的传播则

可能表现出的超光速现象。由于光在材料中的传播的

步长决定与光的传播速度，因此通过光子带隙的设计

可以改变光在材料中传播的有效距离。因此，在一些

光电转换和需要光激发的光功能材料中，通过带隙的

设计，从而提高材料的光电转换或激发效率、降低实

现一些光学过程的阈值。

本课题组在利用光子带隙结构调制传统光电材

料方面取得的结果包括：利用光子带隙对发光体自发

辐射的调制效应和发光体自身的“斯托克斯效应”设

计出了一种三能级光开关器件；发现了光子带隙对发

光体中发光中心能量传递的调制作用[8]；发现了光子

带隙对光致变色材料中光化学过程的调制作用。

（3）基于陶瓷材料中电磁共振的左手材料

基于metamaterials的左手材料的结构单元是人工

电磁谐振结构（如 SRR 环、Ω结构、双棒结构、渔网

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结构等）。随着工作频率的提高，实现这些结构阵列、

特别是三维阵列将越来越困难。我们试图通过无机陶

瓷材料本身尺寸效应、微结构、晶体结构、电子结构

等与 SRR 环的复合电磁波的相互作用实现超常电磁

参量，并在实验中得到了直接的证据，获得了一些陶

瓷基左手材料。如：利用陶瓷颗粒的米氏谐振（Mie

Resonance）在 X 波段获得具有各向同性的负磁导率，

并通过与金属线的复合获得左手材料[9,10]；通过铁电

共振实现微波频段的负介电常数，利用铁电体与金属

谐振环的复合实现左手性电磁波传输[11]；通过极性

晶体中的光学声子与电磁波的相互作用（极化激元）

实现远红外波段的负介电常数[12]；利用铁氧体在磁

场下的铁磁共振在微波频段实现负磁导率及其相关的

左手性传输。

（4） 天然材料中的负折射行为

具有各向异性的光学晶体在某些特殊的方向上可

以实现一定折射角的负折射。本课题组利用向列相液

晶（NLCs）的界面的 e 光光线负折射效应及实现了一

种在天然材料中的负折射[13-14]。最新的研究进展

是，发现了石墨材料是一种天然“非正定介质”，在深

紫外波段具有全角负折射效应[15]。

4、结论

（1）融合天然材料是克服 metamaterials 局限

性的有效方法；

（2）Metamaterials 结构为传统材料的改性提

供了新的途径；

（3）通过 metamaterials 与天然材料的融合，

可望获得具有超常功能的新材料系统。

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