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磁性颗粒复合介质的电磁特性中文摘要 中文摘要 颗粒复合介质是指颗粒状的一种或几种材料无规分布在某种基质中而形成的新 型复合材料。由不同组分的材料形成颗粒复合介质后，可具有与组分物差异很大的性 质，展现出丰富的物理现象。由于这种颗粒复合介质在实验上比较容易制备，对实际 的应用提供了广阔的前景。理论上对这种颗粒复合介质的研究成为理论物理研究的一 个热门课题，许多理论与实验学者都对这些颗粒复合介质产生了浓厚的兴趣。 我们所讨论的磁性颗粒复合介质是指由金属磁性颗粒无规分散在非磁性的绝缘 基质中形成的一种复合材料，这种颗粒复合介质是本文研究的重点对象，它们无规地 与基质不相溶地分散在非磁绝缘基质中。本文主要以( d y n a m i ce m a ) 的方法和有效 媒质理论b r u g g e m a n 方程来研究了金属磁性颗粒体系中的磁谱和非磁金属颗粒在磁 性颗粒体系中的磁谱及金属磁性纳米颗粒复合材料的左手特性。 对于一个由具有单轴各向异性的单畴铁磁颗粒浸在非磁绝缘介质中的颗粒体 系，假设所有的颗粒大小均相同，我们可以推导出单个单畴颗粒的磁化率张量，然后 通过坐标交换来推导出整个体系有效磁化率张量。考虑到颗粒尺寸的影响，以及介电 与磁之间相互影响，我们使用了电磁耦合的有效媒质理论( d y n a m i ce m a ) 研究了金 属磁性颗粒与非磁颗粒无规混合体系中的磁谱和介电谱以及非磁金属颗粒与在磁性 颗粒无规混合体系中的磁谱。计算结果表明，非磁金属颗粒在磁性颗粒体系中金属性 颗粒可以激发磁性颗粒在高频共振等其它性质。 当颗粒的半径大小在纳米尺度范围内时，由于电磁耦合的影响很小，这时可以 忽略颗粒尺寸的影响，就可以采用有效媒质理论b r u g g e m a n 方程来计算金属磁性颗 粒复合体系的有效介电常数毛和有效磁导率以与频率之间的变化关系，进一步可以 求出该金属磁性颗粒体系的平均坡印廷矢量瓯和波矢露与频率之间的变化关系，依 据电磁场的知识可知，由于在一段频率范围内e r e ( j i ) 0 ，因此相速度与群速度的 磁性颗粒复合介质的电磁特性 中文摘要 方向相反，能流与波矢的方向也是相反的，因而此金属磁性颗粒复合材料在这一频率 范围内呈现出左手特性。我们还发现，当金属磁性颗粒的磁阻尼系数较小时，体系在 磁共振频率段附近出现双负的有效磁导率和介电常数，当磁阻尼系数较大时，磁共振 现象减弱，有效磁导率不出现负值，从而导致体系在整个频率段内都不会出现左手特 性。 关键词：有效媒质理论，有效介电常数，有效磁导率，金属磁性 作者：胡珍叶 导师：许晨 磁性颗粒复台介质的电磁特性英文摘要 a b s t r a c t g r a n u l a rc o m p o s i t er e f e r st oan e w 硒n dm a t e r i a lc o n t a i n i n gs m a l lp a n i c l e se m b e d d e d r a n d o m l yi nah o s t t h eg r a n u l a rc o m p o s i t e sm a d eo fd i f f e r e n tm a t e r i a l so f t e ne x h i b i t i n t e r e s t i n gp h y s i c a lp h e n o m e n aa n dc a nb ew i d e l yu s e di nd i f f e r e n ta p p l i c a t i o nf i e l d s 。s o i tb e c 咄sap o p u l a rt h e s i sa n dm a n yt h e o r e t i c i a n sa n de x p e r i m e n t a l i s t sa r ei n t e r e s t e di n i n v e s t i g a t i n gs u c hg r a n u l a rc o m p o s i t e s i nt h i st h e s i s ，w es t u d yt h em a g n e t i cg r a n u l a rc o m p o s i t ec o n s i s to f m e t a l l i cm a g n e t i c p a r t i c l e se m b e d d e dr a n d o m l yi nan o n m a g n e t i ca n di n s u l a t e dh o s t w i t ht h ea i do ft h e e f f e c t i v em e d i u mt h e o r ya n dt h ed y n a m i ce f f e c t i v em e d i u mt h e o r y , w ec o n c e n t r a t e do i l p e r m e a b i l i t ya n dp e r m i t t i v i t ys p e c t l ao ft h em e t a l l i cm a g n e t i cg r a n u l a rc o m p o s i t e sa n d l e f t - h a n d e dc h a r a c t e r i s t i co f m e t a l l i cm a g n e t i cn a n o s c a l eg r a n u l a rc o m p o s i t e sa n ds oo i l w ei n v e s t i g a t e dt h eg r a n u l a rc o m p o s i t e sc o n s i s to ft h es i n g l e - d o m a i nf e r r o m a g n e t i c p a r t i c l ew i t hu n i a x i a la u l s o t r o p y , s u p p o s ea l lp a r t i c l eh a v et h es a m es i z e w ed e r i v e dt h e a v e r a g es u s c e p t i b i l i t yo ft h es i n g l e - d o m a i nm a g n e t i cp a r t i c l e s t a k ei n t oa c c o u n tt h e p a r t i c l es i z ea n dp e r m i t t i v i t ya n dp e r m e a b i l i t y ，0 1 1ab a s eo ft h ee f f e c t i v e - m e d i u mt h e o r y , w i t ht h ea i do ft h ed y n a m i ce m am e t h o d ，w ei n v e s t i g a t e dp e r m e a b i l i t ya n dp e r m i t t i v i t y s p e c t r ao ft h em e t a l l i cm a g n e t i cg r a n u l a rc o m p o s i t e s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a t , i nt h eg r a n u l a rc o m p o s i t e sc o n s i s to fn o n m a g n e t i cm e t a l l i cp a r t i c l e se m b e d d e dr a n d o m l y i nam a g n e t i ca n di n s u l a t e dh o s t ，t h em e t a l l i cp a r t i c l e sc a ne x c i t et h er e s o n a n c eo ft h e m a g n e t i cp a r t i c l e si nh j i g hf r e q u e n c ya n d s oo i l w h e nt h es i z eo fp a r t i c l em u c hs m a l l e rt h a nt h ew a v e l e n g t ho ft h ed e c t r o m a g n e f i c w a v e ，w eo b t a i n e dt h ee f f e c t i v ep e r m i t t i v i t y s , a n dt h ee f f e c t i v ep e r m e a b i l i t y 肛v i at h e b m g g e m a nf o r m u l ai nf i n i t ef r e q u e n c i e s ，g o n gw i t ht h ew a v ev e c t o r 詹a n dt h ea v e r a g e p o y n t i n g sv e c t o rs a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o m a g n e t i ck n o w l e d g e ，w h e nap l a n ew a v e ( t h ew a v e l e n g t h 五ro ft h em a g n e t i cp a r t i c l er a d i u s ) p r o p a g a t e si nt h ec o m p o s i t e m 壁丝嬖垫墨鱼坌耍塑皇燮笙堡 一! 壁：! 堕兰 s y s t e m , i ns o m ef r e q u e n c yr a n g e w e f o u n dt h a tt h es c a l a rp r o d u c to ft h e 锶e 、蜘k a n dt h ea v e r a g ep o y a t i n g s v e g t o rsa tt h ef i n i t ef r x t u e n c i e s i sl e s st h a nz e r o ， n a m e l y , f , , r e ( k ) o t h e r e f o r et h ec o m p o s i t em a ys h o wt h e s oc a l l e dl e f t - h a n d e d c h 瓤a c t e r i s t i ci nt h i sf r e q u e n c yr a n g e w h e nt h ed a m p i n gc o e f f i c i e n to f t h ec o m p o s i t e s d i m i l l i s h e d t h e r ea r ean e g a t i v ee f f e c t i v ep e r m i t t i v i t ya n ds i m u l t a n e o u s l yan e g a t i v e e f f e c t i v ep e r m e a b i l i t yi nt h ec o m p o s i t e sn e a rt h ef r e q u e n c yo f t h em a g n e t i cr e s o n a n c e ，t h e o m 盯w a yr o u n dt h em a g n e t i cr e s o n a n c ew e a k e n , t h en e g a t i v ee f f e c t i v ep e r m i t t i v i t yw i l l b ea 1 ，s 呲s ot h el e f t - h a n d e dc h a r a c t e r i s t i cd i s a p p e a r e di nt h ec o m p o s i t e si nt h i sf r e q u e n c y r a n g e k e yw o r d s ：e f f e c t i v em e d i u mt h e o r y ：e f f e c t i v ep e r m i t t i v i t y ；e f f e c t i v e p e r m e a b i l i t y ： m e t a l l i cm a g n e t i c w r i t t e nb y ：h uz h e n y e s u p e r v i s e db y ：x uc h e n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不会为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：翻堕吐 日 期：型! 酗尹 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：幽灶日 期：2 叟渺 导师签名：选扛日 期：怂z 二出 磁性颗粒复合介质的电磁特性 第一章引言 第一章引言 颗粒复合介质是指通过多种技术将各种不同性质的组分材料优化而成的新材 料，它既能保持各组分材料性能的优点，又增加了单一组分材料所不具备的性能，其 物理特性可以与其组分的物理性质有很大的差异，因而可以根据实际应用的需要设计 样品的形式、组分的比例、大小、形状等，成为优良的人工调制功能材料。按其不同 的功能，有导电功能、压电功能复合材料、光学双稳材料、感光材料、光子带隙材料 等。金属磁性颗粒复合介质是指金属磁性颗粒无规分布在绝缘非磁基质中的复合体系 或者非磁金属颗粒无规分布在绝缘磁性基质中的复合体系。近年来关于磁性颗粒复合 介质磁谱的研究受到了广泛的关注【1 5 】，如研究颗粒体系和多晶的磁谱以及铁氧体复 合材料的磁谱 6 q o 。 1 1 磁性颗粒复合介质研究意义及现状 磁性颗粒复合介质在现实生活中有非常广泛的应用，例如，电磁波屏蔽材料、温 度传感器、红外吸收器等。到目前为止，不管是实验上还是理论上，对颗粒复合介质 体系的研究基本上考虑体系的介电常数、磁导率或者是电导率。理论上对于磁性颗粒 复合介质的有效介电常数和磁导率的计算，如果颗粒体系是均匀各向同性的，通常的 方法是应用有效媒质理论。p i n gc h e n 和rxw u 等人应用有效媒质理论在不同条件 下的公式研究了金属磁性颗粒复合介质在微波段的电磁性质，并与实验结果进行了比 较【1 l 】。图1 就是应用在有效媒质理论不同条件下的公式计算有效介电常数和磁导率 的实部、虚部与磁性颗粒体积分数之间关系，当金属磁性颗粒复合体系中的金属磁性 颗粒的体积分数比较小的时候，采用m a x w e l l - g a r n e t 公式和b r u g g e m a n 公式计算的 结果与实验数据还是比较符合的。即当金属磁性颗粒复合体系中的金属磁性颗粒的体 积分数比较小的时候可以采用有效媒质理论的m a x w e l l g a r n e t 公式和b r u g g e m a n 公 磁性颗粒复合介质的电磁特性 第一章引言 式来计算磁性颗粒复合体系的有效介电常数和磁导率。 h “ 图1 有效介电常数和磁导率的实部和虚部与磁性颗粒体积分数的关系 当磁性颗粒球的半径远小于入射电磁波的波长时且磁性颗粒的体积分数在稀释 浓度的时候，计算磁性颗粒复合介质的有效介电常数和磁导率用m a x w e l l g a r n e t 公 式： 赫= p 埘赫 当磁性颗粒球的半径远小于入射电磁波的波长时且金属磁性颗粒体积分数不在磁性 颗粒体系渗流极限附近时，计算磁性颗粒复合介质的有效介电常数和磁导率用 b r u g g e r n a n 1 2 公式： 儿格一( 1 一几) 耪= o 其中九是磁性颗粒体系的有效媒质参数，旃，九分别是基质颗粒和磁性颗粒的参数， 2 撕u 删藿上矗看暮暑ig暑l量8 磁性颗粒复台介质的电磁特性第一章引言 几是磁性颗粒的体积分数。在颗粒球半径在接近入射电磁波的波长时，c r a i ga c j r i m e s 和d a l em g r i m e s 应用克劳修斯莫索谛关系对多晶材料的磁谱和介电谱进行 了研究，讨论了在不同情形下各种因素对多晶材料的磁谱和介电谱的影响【1 3 】。图2 是应用克劳修斯莫索谛关系计算磁性颗粒体系的有效介电常数和磁导率与频率之间 的关系。其中磁性颗粒的磁导率与频率的关系是由g i l b e r t 方程给出： 警= 7 ( 膨日) 一彘 m 警】 式中膨是磁化强度，4 x m , 是饱和磁化强度，日是磁场y 是旋磁比，口是阻尼系数。 颗粒球的介电常数与频率的关系由下式给出： s t 2 s i p 6 0 c o 式中p 是电阻率。图2 和图3 是磁性颗粒不同半径下的磁谱和介电谱，这是颗粒尺寸 大小对磁谱和介电谱的影响。另外其它的变量占。、磁阻尼系数口、外场口也都对磁 性颗粒体系的磁谱和介电谱有很大的影响。 # j_ 心 喵 ，_ l ，。 l 【】别。图2 | | | | | | | | 与 | | | | 磁性颗粒复合介质的电磁特性第一章引言 图3 是半径r - - 1 0 - 2 m 的磁谱 1 2 左手材料的研究意义及现状 介电常数占和磁导率是描述物质基本电磁性质的物理量。介电常数s 和磁导率 对频率国的依赖特性分别称为介电色散和磁导率色散。对于自然界绝大多数物质而 言，它们大都是大于零的。左手材料( 1 e f t - h a n d e dm e t a m a t e r i a l s , l h m s ) 是一种介电 常数g 和磁导率同时为负的人工周期结构材料，左手材料的提出和人工实现改变我 们对这两个物理量的传统认识。由于在左手材料中传播的电磁波的相速度和群速度方 向相反，因而表现出一系列反常的电磁特性。如负折射效应、反常多普勒效应、反常 切仑科夫辐射和完美透镜效应等。还可以实现平板聚焦、完美透镜、超薄谐振腔，后 向波天线等功能，左手材料因此具有很大的应用潜力。另外在微波、电路、光学、材 料学等领域也都有广泛的应用价值。左手材料的发现被美国科学杂志评为2 0 0 3 年度十大科技突破之一，也是当前物理与电磁学研究领域中的前沿与热点问题。 4 备簧譬墓譬鬯更菌 磁性颗粒复合介质的电磁特性 第一章引言 经- - 鳓_ 碡_ _ 一冁 攀蠛 。 瓣 ( a ) 右手材料中的多普勒效应 ? 。黪二呻 辫一 一u 一绺瓣麟l 蝉 。j j矛鹾 ?。 一 。j ： 一 ， “。，扩嘭* 州。， 一 、r 。j ：“o # u ? “! 。j “雌 ( b ) 左手材料中的多普勒效应 图4 左手，右手材料中的多普勒效应示意图 磁性颗粒复合介质的电磁特性第一章引言 图5 切仑科夫辐射示意图( a ) 正常辐射( b ) 反常辐射 謦j 。j “” 7 ： + ! ， 4 。 ：。“ 。“ v “一i m ，秽端“褊灏赢舔2 薅晦秽r 髫 4。j ” t ”： 燕 、 # w 一j j f 、 f 。 ，“ +：鼍。、 ：多嗲土。二+ 么，w 一一一* 女”矿5 ，+ ； 。 、夕 。 ；、? + * p ” j 。 赣蕊 ；“7 ” 。? l m m “m ”一一： 譬弧。，蕈魄瓿a ；曲移秘羞韬彬珏蝣t 诧赫钞，磁o ? 船，；，囊。o 图6 左手材料平板成像 | 镦葭j 镉融 簪i 纛一卜 图7 普通透镜与完美透镜成像对比图 6 。辫糍。“一；妻黪 。一誊 措 磁性颗粒复合介质的电磁特性 第一章引言 为了从宏观上把握左、右手材料的性质，按照，p 的符号，我们可以构建了如下 图所示的象限图。 2 墼i。匕 争躐辩舔 唑州孙 l 沙汤 4 鳓kl 。 阚+ 一 酬擘硇 心 f h _ 图8 不同媒质中的电磁波的特性 在第一象限中，v - o , v m ，自然界中的绝大部分材料均处于这一象限。有少部分 材料在某些状态下会处于第二象限( o ，炉o ) ，如等离子体及位于特定频段的部分金 属。当 0 时，折射率矗= 如互为虚数。这意味着在这种材料中电磁波只能是 消逝波( e v a n e s c e n tw a v c $ ) ，因电磁波只能在折射率为实数的材料中传播。如果一个电 磁波入射到位于第二象限中的材料上，由于这种材料中电磁波是消逝波( e v a n e s c e n t w a v e s ) , 电磁波将会全部被反射，如果这种材料足够厚，就不会有透射波。处于第四象 限中的材料，其伽，i t 0 ，因而折射率n 也为虚数。电磁波入射到处于第四象限中的 材料的行为与入射到第二象限中的材料的行为相似。 第三象限中的材料，其8 0 ，i t 0 ，因而折射率n 也为实数。虽然第一、第三象 限中材料的折射率均为实数，但第三象限中材料的电磁波传播性质却很奇特，与第一 象限中材料的电磁波传播性质完全不同。在第三象限的材料中。电磁波的波矢和能流 方向是反平行的，也就是说电磁波的群速和相速是反平行的。在e 0 ，i t 0 时，m a x w e l l 方程仍然允许电磁波在材料中传播，但此时材料的折射率n 却必须取 7 磁性颗粒复台介质的电磁特性第一章引占 负值 1 4 ，1 5 1 。 总之，电磁波只能在折射率为实数的材料中传播。若8 和“中只有一个为负值， 则折射率为虚数，电磁波在材料中将由于只存在消逝波解而不能传播。若材料的和 均小于零时，电磁波在材料中是可以传播的，但材料的折射率必须取负值，且电磁 波的群速和相速反平行。 从图8 可以看到：在第一象限中，电磁波的电场e 磁场e 和波矢露形成一个右手 螺旋关系，故将其称为右手材料，但是在第三象限中，电磁波的电场e 磁场日和波矢 膏形成一个左手螺旋关系，故v e s e l a g o 1 6 将其称为左手材料。 由于电谐振频率和磁谐振频率的分离，自然界中不存在介电常数s 和磁导率“产 同时小于零的物质。因而v e s e l a g o 提出的左手材料只能作为一种理论上的设想而无法 实现，故在该理论提出的近3 0 年内左手材料发展几乎处于停滞状态。由于每一种材 料都可以看作为复合材料，即使其组分是山原子和分子组成。定义介电常数, f f 和磁导 率“的最初目的是想给出媒质电磁特性的均匀性观点。等效媒质理论要求 n 旯= 2 石“国，其中a 为晶格常数。假如不满足该条件，媒质的内部结构将衍射和 折射电磁波，从而不满足媒质电磁特性的均匀性。当波长远大于结构单元的尺寸时， 辐射将不能识别出其内部结构，材料就可以用有效介电常数和有效磁导率来描述。因 而当人工周期性材料结构单元远小于光波长时，等效媒质理论才适用，用s 和来描 述其电磁特性才有意义。 2 0 0 1 年s m i t h 等人根据p e n d r y 的理论模型，采用电路板刻蚀技术制备了铜开口 谐振环和铜线周期性排列成结构材料并测量了其微波透射曲线( 图9 ) 。由透射曲线 可见在开口谐振环的谐振禁带处出现一个透射峰，该透射峰即为左手透射峰，满足介 电常数和磁导率同时小于零，首次实现了微波段左手材料 1 4 ，1 7 1 8 】。设计了劈尖状 左手材料样品，并测量了其微波折射行为( 1 0 ) ，首次验证了负折射的存在。 8 磁性颗粒复合介质的电磁特性 第一章引言 图9 左手材料的实现( a ) 样品图( b ) 透射曲线 图1 0 左手材料负折射的实现( a ) 二维样品( b ) 左手材料负折射测量结果 一些科学家对左手材料的反常行为持怀疑态度，特别是它的理论仍然非常不清 楚，引起了许多的争议 1 9 2 5 。例如，v a l a n j u 2 4 1 认为负折射率违背了基本的光速极 限原理，o a r c i a 2 5 等认为由于实际材料吸收的存在会限制衰减波的放大，因而完美 透镜不可能实现。p e n d r y 2 6 - 2 9 针对不同意见进行了解释，并进一步研究发现平板左 手材料光性比任何现存的透镜都好，尽管能量的吸收会对分辨率产生一定的影响，但 却认为即使完美透镜不切实际，较高分辨率透镜是可以实现的。h o u c k 3 0 和 p a r a z z o l i 3 1 对s m i t h 等人的负折射实验改进后，从多角度验证了左手材料负折射的 存在，基本结束了有关左手材料的争论【3 3 】。 微波段负折射的实现，掀起了左手材料研究高潮。如，有效介电常数和磁导率的 磁性颗粒复合介质的电磁特性第一章引言 理论确定 3 3 3 4 ，基于开口谐振环和金属线周期排列而成的两维左手材料【3 5 】及三维 左手材料 3 6 - 3 7 的设计和透射行为研究。另外，采用磁性复合材料来实现左手材料的 理论研究也己有报道 3 8 - 4 2 1 。如，c h u i 4 3 - 4 4 等基于有效媒质理论近似，通过模拟提 出了一种易于工业化生产左手材料的方法，即将金属磁性纳米颗粒与绝缘基质复合并 通过调节金属磁性颗粒的磁化方向和体积分数来调控其介电常数和磁导率同时为负 的频率段。g a o 4 5 - 4 6 等理论研究表明金属、磁性复合颗粒可以实现左手材料。d a 4 7 】 等认为磁性月f 磁性薄膜层可以实现负折射效应。 随着对左手材料的制备、物理特性等研究的深入，人们也开始尝试研究开发左手 材料的应用。微波段左手材料可广泛应用予微波器件，如微波平板聚焦透镜、带通滤 波器、祸合器【4 8 】、宽带相移器【4 9 】、天线等。红外波段磁响应的实现可应用于生物 安全成像、生物分子指纹识别、遥感、恶劣天气条件下的导航、微型谐振腔等。可见 光波段左手材料可以制作能突破衍射极限的透镜，因而可应用于超灵敏单分子探测 器，用于探测微量污染、具有危险性的生物化学药剂、血液中表征早期疾病的蛋白质 分予以及进行医学诊断成像等。另外利用左手材料负折射和倏逝波放大特性，可以制 作集成光路里的光引导元件，有望制作出分辨率比常规光学透镜高几百倍的扁平光学 透镜，左手材料也有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，可能帝4 作 出存储容量比现有d v d 高几个数量级的新型光学存储系统【5 0 】。 目前，左手材料的研究热点己经转向红外、可见光波段的左手材料的设计与制备。 然而，左手材料作为一种人工周期结构，其左手特性受到结构单元参数、材料电磁特 性和单元问相互作用的影响。对于左手材料器件而言，左手特性影响因素的研究就显 得尤为必要。鉴于微波段左手材料的结构单元在m m 量级，较易于设计和制备，因而 研究了微波段左手材料中的结构单元的影响因素，其研究结果将对左手材料的应用意 义重大，对红外、可见光左手材料的制备也具有一定的指导意义。此外，微波段空间 左手材料的研究对于拓宽左手材料的应用领域也有一定的应用价值。目前红外及可见 光波段左手材料制备技术还不成熟，所以左手材料的应用研究集中在微波波段。左手 1 0 磁性颗粒复合介质的电磁特性 第一章引言 材料是个全新的研究领域，其奇特的电磁行为引起了众多研究者的兴趣。 左手材料的挑战性不仅仅体现在实验方面，在理论方面还有许多工作值得研究。 因为负折射率的假定依然存在很多分歧有待进一步探索和研究，并且会产生新的令人 感兴趣的课题。 1 3 本文的主要工作 一、金属磁性颗粒体系的磁谱和介电谱 关于磁性颗粒体系磁谱的研究受到广泛关注，我们考虑一个由具有单轴各向异性 的单畴铁磁颗粒浸在非磁介质中的颗粒体系，假设所有的颗粒大小均相同。首先考虑 一个单畴颗粒，求出它的磁化率张量，这个磁化率张量中将包含有颗粒的易轴方向的 信息。对于一个磁性颗粒体系而言，易轴的方向往往有一个分布。因此，整个体系的 磁化率应是对所有颗粒易轴方向的平均，我们将首先推导出单个单畴颗粒的磁化率张 量，然后通过坐标变换来推导出整个体系有效磁化率张量。我们从体系的自由能出发， 结合磁化强度的运动方程，采用弛豫时间近似，求出单畴颗粒系统的磁化率和阻尼系 数、各向异性常数、交交常频率等的依赖关系。 当颗粒球的半径接近入射电磁波的波长时，考虑到颗粒尺寸效应，以及介电与磁 之间的相互影响我们采用了电磁耦合的有效媒质理论( d y n a m i ce m a ) 研究了金属磁 性颗粒与非磁颗粒无规混合体系中的磁谱和介电谱以及非磁金属颗粒与磁性颗粒无 规混合体系中的磁谱。计算结果表明，非磁金属颗粒在磁性颗粒体系中金属性颗粒可 以激发磁性颗粒在高频共振等其它性质。 = 、金属磁性纳米颖粒复合材料的左手特性 当颗粒球的半径远小于入射电磁波的波长时，由于颗粒尺寸效应，以及介电与磁 之间的相互影响很小，我们使用的是有效媒质理论研究了具有单轴各向异性的单畴铁 磁颗粒复合体系实现左手特性的可能性。应用l l g 方程，计算了复合体系中磁性颗 粒的平均磁导率，应用有效媒质理论b r u g g e m a n 方程来计算金属磁性颗粒复合体系 磁性颗粒复合介质的电磁特性 第一章引言 的有效介电常数毛和有效磁导率儿与频率之间的变化关系，进一步可以求出该金属 磁性颗粒体系的平均坡印廷矢量咒和波矢j 与频率之间的变化关系，依据电磁场的 知识可知，由于在一段频率范围内s o - r e ( k ) o ，所以相速度与群速度的方向相反， 能流与波矢的方向也是相反的，因而此金属磁性颗粒复合材料在这一频率范围内呈现 出左手特性。我们发现，当金属磁性颗粒的磁阻尼系数较小时，体系在磁共振频率段 附近出现双负的有效磁导率和介电常数，当磁阻尼系数较大时，磁共振现象减弱，有 效磁导率不出现负值，从而导致颗粒体系在整个频率段内都不会出现左手特性。 1 2 磁性颗粒复合介质的电磁特性 第一章引言 参考文献 【1 m a i i t e s ejv j a p p lp h y s ，7 9 , 1 6 5 5 ( 1 9 9 6 ) 2 g r i m e s c a a n d g r i m e s d m , p h y s r e v b ，4 3 ，1 0 7 8 0 ( 1 9 9 1 ) 【3 h o wh a n dv i t t o r i ac , j a p p lp h y s ，6 9 ，5 1 8 3 ( 1 9 9 1 ) 4 o r i m e sc aa n dc r f i i l e sd m j a p p lp h y s ，6 9 ，6 1 8 6 ( 1 9 9 1 ) 【5 x i a t k , n u i p ma n d s n o u d d j a p p l p l a y s ，6 7 , 2 7 3 6 ( 1 9 9 0 ) 6 w t d o y l e , p h y s r e v b ，3 9 ，9 8 5 2 ( 1 9 8 9 ) 【7 】h r d s t m _ a ka n ds e b a s t i e n , i e e ep h o t o n t e c h i e l t ，1 ，1 4 2 ( 1 9 8 9 ) 【8 d s 行o u n da n de d p a n , p h y s r e v b ，1 7 ，1 6 0 2 ( 1 9 7 8 ) 9 p s h e n g , p h y s r e v l e l t ，4 5 ，6 0 ( 1 9 8 0 ) 【1 0 l l e w i n , t r a n s i r e , 9 4 ，p a a 3 ，6 5 ( 1 9 4 6 ) 【1 1 p i n gc h e n , rxw u , t i a n e nz h a o ，f a ny a n ga n dj o h nq x i a o , j p h y s 。d ：a p p l p h y s ， 3 8 , 2 3 0 2 ( 2 0 0 5 ) 【1 2 b r u g g e m a nd a g1 9 3 5a n n p h y s ，2 46 3 6 - 7 9 f 1 3 c r a i g a g r i m e s ，d a l em g r i m e s , p h y s r e v b ，4 3 ，1 0 7 8 0 ( 1 9 9 1 ) 【1 4 s m i t hdr , w i l l i ejp , v i e rdc ，e la 1 , p h y sr e vl e l t ，8 4 ( 18 ) , 4 1 8 4 ( 2 0 0 0 ) 【1 5 s m i t hdr , k r o l ln ，p h y sr e x l e t t ，8 5 ( 1 4 ) , 2 9 9 3 ( 2 0 0 0 ) 【1 6 v g v c s e l a g o , s o v p h y s u s p ，1 0 ，5 0 9 ( 1 9 6 8 ) 【1 7 r s h e l b y , d s m i t ha n ds s c h u l t z , s c i e n c e ，2 9 2 ，7 7 ( 2 0 0 i ) 【1 8 p 。a s h e l b y , d & s m i t h , s c n e m a t - n a s s e r , e la 1 a p p l p h y s l e l t ，7 8 ，4 8 9 ( 2 0 0 1 ) 【1 9 ka s h c l b y , d 1 乙s m i t h , s c n e m a t - n a s s e r , e ta 1 a p p l p h y s l e l c ，7 8 ，4 8 9 ( 2 0 0 1 ) 2 0 a l p o k r o v s k ya n da l e f i o s ，p h y s r e v l e t t ，8 9 ，0 9 3 9 0 1 ( 2 0 0 2 ) 【2 1 j m w i l l i a m s p h y s r e v l e l t ，8 7 ，2 4 9 7 0 3 ( 2 0 0 1 ) 磁性颗粒复合介质的电磁特性第一章引言 1 2 2 gw ：tn o o n , p h y s r e v l c t t ，8 7 ，2 4 9 7 0 1 ( 2 0 0 1 ) 2 3 1 k k a k a e s s c i e n c e ，2 9 6 ，1 3 8 0 ( 2 0 0 2 ) 【2 4 p m v a l a n j u , 1 lm w a l s e r , a n da p v a l a n j u p l a y s r e v l e t t ，8 8 ，18 7 4 0 1 ( 2 0 0 2 ) 2 5 n g a r c i aa n dm n i e t o - v e s p e r i n a p h y s r e v l e t t ，8 8 ，2 0 7 4 0 3 ( 2 0 0 2 ) 【2 6 】j b p e n & y , p h y s r e v l e f t ，9 1 ，0 9 9 7 0 1 ( 2 0 0 3 ) 1 2 7 p b p a n d r y , p h y s r e v l e t t ，8 7 ，2 4 9 7 0 4 ( 2 0 0 1 ) 2 8 1 b p e n d r y , p l a y s r e a w l e f t ，8 7 ，2 4 9 7 0 2 ( 2 0 0 t ) 2 9 j b p c n a 7 ya n ds ar a m a k r i s h n a j p h y s ：c o n d e n s m a t t e r , 1 4 ，8 4 6 3 ( 2 0 0 2 ) 3 0 a l a k h t a k i a , i n t j e l e c t r o n c o m m u n , ( a e u ) 5 8 ，2 2 9 ( 2 0 0 4 ) d 1 p 。w ：z i o l k o w s l d o p t e x p r e s s , 1 1 ，6 6 2 ( 2 0 0 3 ) 【3 2 】b p e n d 睇n a t u r e , 4 2 3 ，2 2 ( 2 0 0 3 ) 3 3 d 1 乙s m i t h , s s c h u l t z , p m a r k o s , e ta 1 p h y s r e v b ，6 5 ，1 9 5 1 0 4 ( 2 0 0 i ) 【3 4 】d rs m i t h , d c v i c r , n k r o l l ，c ta 1 a p p l p l a y s l e t t ，7 7 ，2 2 4 6 ( 2 0 0 0 ) 【3 5 m b a y i n d i r , k a y d i n , a n de o z b a y , e ta 1 a p p l p h y s l e g ，8 1 ，1 2 0 ( 2 0 0 2 ) 【3 6 】p o a y - b a l m a za n do j em a r t i n a p p l p h y s l e t t ，8 1 ，9 3 9 ( 2 0 0 2 ) 【3 7 j p a c h e c o , j t m c n z e g o r c z y k , b - i w u , e ta 1 p h y s r e v l 砒，8 9 ，2 5 7 4 0 1 ( 2 0 0 2 ) 【3 8 z l m a gs ，f a nw ，m i n h a sbi c ，f r a u e n g l a s sa ，m a l l o yk j ，a n db r u e e ks 1 l ，p h y s r e v l e t t ，9 4 , 0 3 7 4 0 2 ( 2 0 0 5 ) 3 9 h n a n gi c c ，p o v i n e l l iml ，a n dj o a n n o p o u l o u sj d ，a p p l p h y s l e a ，8 5 ，5 4 3 ( 2 0 0 4 ) 4 0 m a e n aj d ，m a r q u e sr ，m e d i n af ，a n dj c s u sm a r t e l ，p h y s r e v b ，6 9 ，0 1 4 4 0 2 ( 2 0 0 4 ) 【4 1 m a r q u e s & ，m e d i n af ，a n dr a f i i - e l - i d r i s s i ，p h y s r e v b ，6 5 ，1 4 4 4 4 0 ( 2 0 0 2 ) 4 2 z i o l k o s w s k ir w ，p h y s r e v b ，7 0 ，0 4 6 6 0 8 ( 2 0 0 4 ) 5 1 a i u a ，a n de n g h e t an ，i e e et r a n s a n t e n n a s p r o p a g a t i o n , 5 0 ，2 5 5 8 ( 2 0 0 3 ) 1 4 磁性颗粒复合介质的电磁特性 第一章引言 4 3 i s t c h u ia n dl b h u , p h y s r e v b ，6 5 ，1 4 4 4 0 7 ( 2 0 0 2 ) 4 4 l b h ua n ds t c h u i p h y s r e v b ，6 6 ，0 8 5 1 0 8 ( 2 0 0 2 ) 【4 5 】y yh u a n g ，l g a o ，p h y s l e t t a ，3 2 8 ，2 2 5 ( 2 0 0 4 ) 4 6 l g a o