超材料(metamaterials)教学讲解课件

第十一章光电“超材料”（metamaterials）第十一章光电“超材料”（metamaterials）1什么是“超材料（metamaterials）”？定义：具有天然材料所不具备的奇异物理性质的人工材料。实例：光子（电磁波）带隙材料“左手”材料超磁性材料什么是“超材料（metamaterials）”？定义：2通常是具有新奇结构的复合材料；具有超常的物理性质；建立在革命性的物理概念基础上；具有新颖的应用前景。“超材料（metamaterials）”的特点通常是具有新奇结构的复合材料；“超材料（metamateri3基本设计思想通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。自然界中物质的有序主要存在于原子层次－－原子的有序排列形成晶体，进而产生一些无定型态所不具备的物理特征。依此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质。基本设计思想通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从4“超材料”设计路线“超材料”设计路线5基本原理基本原理6研究方法研究方法7设计空间设计空间8已有材料半导体超晶格光子晶体“左手材料”超磁性材料声子晶体与声学超结构有序天线基板。。。。。已有材料半导体超晶格9实例：“超磁性”材料实例：“超磁性”材料10光子晶体光子晶体11什么是光子晶体？几个基本概念光子能带：电磁波在由不同介电材料组成的周期性的结构中传播时，同半导体中的电子一样，也会形成能带结构--光子能带。光子能隙：光子能带之间可能没有重叠，这样，也会形成同半导体一样的能隙--光子能隙。频率落在光子能隙中的电磁波是禁止传播的。光子晶体：具有光子能隙的介电材料构成的周期结构什么是光子晶体？几个基本概念12分析：介电常数变化介质中光的传播分析：介电常数变化介质中光的传播13一维周期结构：最简单的情形一维周期结构：最简单的情形14光子带隙的形成光子带隙的形成15发展历程发展历程16发展历程发展历程17二维光子晶体的中的光子带隙二维光子晶体的中的光子带隙18三维光子晶体的中的光子带隙三维光子晶体的中的光子带隙19三维光子晶体的态密度三维光子晶体的态密度20光子时代的半导体光子带隙材料与半导体的比较

PhotonicCrystalSemiconductorPeriodicityCharacter:

RefractiveindexElectricalpotential

PeriodSize:Opticalwavelength

DeBroglieWavelengthEigenequation:Maxwell’sequationSchrodinger’sequationDispersionRelation:~KphE~Ke光子时代的半导体光子带隙材料与半导体的比较21应用领域无损耗波导及各类分光光路无损失反射镜零阈值激光器及光学微腔光（电磁波）晶体管低阈值全光开关光（电磁波）放大器光子晶体光纤微波天线基板－－从理论上讲，通过设计光子（电磁波）带隙结构，可以获得几乎任何我们所需要的光（电磁波）功能－－能够使各类光学元器件集成到一起应用领域无损耗波导及各类分光光路－－从理论上讲，通过设22无损耗波导及各类分光光路无损耗波导及各类分光光路23光子晶体WDM光子晶体WDM24光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿。光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到1μｍ以下。

光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；25光子晶体表面发射激光器光子晶体表面发射激光器26全光开关与晶体管全光开关与晶体管27光晶体管原理光晶体管原理28微波调制器件微波调制器件29天线基板天线基板30“反OPAL”

结构PLZT陶瓷的制备MonodispersecolloidalsuspensionofpolystyrenemicrospheresColloidcrystal(fcc)ofpolystyrenemicrospheresPLZTprecursorgelinfilledpolystyrenemicrospheresSelf-assemblyInfiltratingPLZTprecursorintothevoidsofthecolloidcrystalanddryingSinteringCeramicPLZTinversedOPAL“反OPAL”结构PLZT陶瓷的制备Monodisper31“反OPAL”

结构PLZT陶瓷的形貌与结构Ifeelthatyouhavemadeanexcellentadvancementinartandscienceofformingphotoniccrystal.--DavidW.JohnsonJr.

“反OPAL”结构PLZT陶瓷的形貌与结构Ifeel32“反OPAL”

结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱“反OPAL”结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱33“反OPAL”

结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱“反OPAL”结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱34在片式电感阵列基础上的微波带隙结构在片式电感阵列基础上的微波带隙结构35微波传输谱微波传输谱36六角型矩阵的设计与制备

（a）设计阵列图案

（b）流延得到的基板光学照片六角型矩阵的设计与制备（a）设计阵列图案37微波传输谱（1）a)b)c)d)e)不同测试角度的微波传输谱微波传输谱（1）a)b)c)d)e)不同测试角度的微波传输谱38微波传输谱（2）带隙结构

微波传输谱（2）带隙结构39左手材料左手材料40什么是左手材料在一定的电磁波频段同时具有负介电常数和负磁导率的材料系统。颠倒了电磁波传播过程中电场、磁场和传播方向所应遵循的“右手定则”。什么是左手材料在一定的电磁波频段同时具有负介电常数和负磁导率41基本设计思想色散方程：在一个各向同性的物质中可写成：

1967年，前苏联Veselago首次了在同时具有负的介电场数和负的磁导率的材料

如果我们不考虑损耗，认为和

都是实数，则如果和

同时反号则对于这种关系没有影响。

基本设计思想色散方程：在一个各向同性的物质中可写成：42“逆行波”电磁波传播的能量是由坡印亭矢量表示

在一般的材料中，S与波矢k具有共同的方向，即电磁波的能量传输方向与相位传输方向相同在左手材料中，S与波矢k具有方向相反，表明能量的传输方向与相位的传输方向相反。

“逆行波”电磁波传播的能量是由坡印亭矢量表示在一43反常多普勒效应多普勒效应：在正常材料中，固定波源发出的电磁波，当接收器做接近波源的运动时，所接收的波的频率高于波源发出的电磁波的频率；反之，如果接收器做远离波源的运动时，波源接收的电磁波的频率将小于波源发出的电磁波的频率。在左手材料中，固定波源发出的电磁波，当接收器做接近波源的运动时，所接收的波的频率低于于波源发出的电磁波的频率；反之，如果接收器做远离波源的运动时，波源接收的电磁波的频率将高于波源发出的电磁波的频率。反常多普勒效应多普勒效应：在正常材料中，固定波源发出的电磁波44负折射率性质负折射率性质45理想透镜理想透镜46能否存在负介电常数和磁导率？一维电流当材料参数恒定时

其中

当介电场数与磁导率的乘积为正实数时，有两种可能的解，在n<0的解中，电磁波不是朝远离源的方向运动而是朝向源的方向运动。能否存在负介电常数和磁导率？一维电流当材料参数恒定时其中47负介电常数的实现Materialshavenegativepermittivityslightlybelowtheplasmafrequency,whichistypicallyinthevisiblespectruminmetals:Periodiclatticeofwireshasreducedelectrondensity,increasedeffectivemassduetoselfinductionp~10GHzJ.B.Pendryetal,Phys.Rev.Let.76,4773(1996)负介电常数的实现Materialshavenegativ48负磁导率的实现CreatemagneticresonancewithnonmagneticmaterialsUsesplitringresonatortogetcapacitive-inductiveresonanceStrongresonancegivesnegativeJ.B.Pendryetal,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.

47,2075(1999).负磁导率的实现Createmagneticresonan49SSR左手材料R.A.Shelbyetal,Science292,77(2001).

SSR左手材料R.A.Shelbyetal,Scie50基于传输线理论的左手材料传统的传输线模型

左手材料中的传输线模型

基于传输线理论的左手材料传统的传输线模型左手材料中的传输线51光子晶体中的电磁波“左手性质”光子晶体中的电磁波“左手性质”52特殊晶体介面导致的“左手现象”ImagesoflightpropagationinaYVO4bicrystalshowingtotalrefraction.Furthermorethematerialisamphoretic:itcanrefractinapositiveoranegativeway.Theupperpanelshowsanexampleofabnormal(negative)refraction,thelowerpanelshowsanexampleofnormal(positive)refraction.Notethatnoreflectionisvisibleatthebicrystalinterfacetothenakedeye.Thegreenlightrayhasawavelengthof532nm,whilethebluerayhasawavelengthof442nm.

特殊晶体介面导致的“左手现象”Imagesoflight53基于多层陶瓷工艺的LHM传输线理论为基础LC阵列结构小型、集成，易于器件化与LTCC技术相兼容基于多层陶瓷工艺的LHM传输线理论为基础54设计方法由色散关系得到：

设计方法由色散关系得到：55设计参数

L＝1.6nHC=0.095pF由色散关系得到左手材料的频率范围是9G－11.3GHz在10G下

n＝－0.62基体材料采用低介瓷介电常数5。设计参数L＝1.6nHC=0.095pFn＝56设计方案实现上述结果，采用流延工艺需要3张丝网，其中两张与制备电感阵列工艺相同。另一张如下图。其中电容由两个线间的电容充当。最后这张丝网印在最上面一层，作为传输线及电容。图中结构单元中的黑色线圈代表下层电感。此外，我们将调整样品厚度希望可以得到左手材料的性质。设计方案实现上述结果，采用流延工艺需要3张丝网，其中两张与制57烧结后的样品烧结后的样品58性能测量测量方法：在二维平面内移动探头每一步间距2mm（如图通过坐标纸来标记移动距离）。通过网络分析仪测量每一点的S21参数。测量的频率范围是4GHz－18GHz。然后将不同点在同一频率下S21参数的相位量按点的位置分布画出样品表面的电磁场的相位分布。性能测量测量方法：59测量结果（1）场分布测量可以应用的范围

图4场分布的测量范围（a）4GHz下的场分布（b）13GHz下的场分布（其中不同颜色表示不同的相位，相位的变化是－180°～＋180°（即－1.57~1.57弧度））测量结果（1）场分布测量可以应用的范围60测量结果(2)负折射率的现象我们在11GHz附近区域内得到左手材料现象与在10GHz附近得到右手材料现象进行比较。

（a）（b）图6左手材料场分布与右手材料场分布比较。（a）11.5GHz下左手材料场分布（b）10GHz下右手材料场分布测量结果(2)负折射率的现象我们在11GHz附近区域内得61测量结果(3)其他现象除了以上频段中，我们得到了左手材料的性质与右手材料的性质外，我们还对设计结构在4GHz-13GHz范围内的其他频段的场分布进行了分析。从相位的场分布中得到一些比较复杂的现象。图78.3GHz下场分布测量结果(3)其他现象除了以上频段中，我们得到了左手材62负折射率与微波带隙的关系负折射率与微波带隙的关系63结束语“超材料”这一新的观念尚未被学术界（特别是材料学界）完全接受，但作为一种材料设计理念，已开始为越来越多的学者所关注。更为重要的是它的出现会给人们的世界观层面上带来的冲击，昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。迄今发展出的“超材料”系统多与电、磁、光性质相关联，为信息元件的新突破提供了一个新契机，因此值得我们关注。结束语“超材料”这一新的观念尚未被学术界（特别64第十一章光电“超材料”（metamaterials）第十一章光电“超材料”（metamaterials）65什么是“超材料（metamaterials）”？定义：具有天然材料所不具备的奇异物理性质的人工材料。实例：光子（电磁波）带隙材料“左手”材料超磁性材料什么是“超材料（metamaterials）”？定义：66通常是具有新奇结构的复合材料；具有超常的物理性质；建立在革命性的物理概念基础上；具有新颖的应用前景。“超材料（metamaterials）”的特点通常是具有新奇结构的复合材料；“超材料（metamateri67基本设计思想通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。自然界中物质的有序主要存在于原子层次－－原子的有序排列形成晶体，进而产生一些无定型态所不具备的物理特征。依此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质。基本设计思想通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从68“超材料”设计路线“超材料”设计路线69基本原理基本原理70研究方法研究方法71设计空间设计空间72已有材料半导体超晶格光子晶体“左手材料”超磁性材料声子晶体与声学超结构有序天线基板。。。。。已有材料半导体超晶格73实例：“超磁性”材料实例：“超磁性”材料74光子晶体光子晶体75什么是光子晶体？几个基本概念光子能带：电磁波在由不同介电材料组成的周期性的结构中传播时，同半导体中的电子一样，也会形成能带结构--光子能带。光子能隙：光子能带之间可能没有重叠，这样，也会形成同半导体一样的能隙--光子能隙。频率落在光子能隙中的电磁波是禁止传播的。光子晶体：具有光子能隙的介电材料构成的周期结构什么是光子晶体？几个基本概念76分析：介电常数变化介质中光的传播分析：介电常数变化介质中光的传播77一维周期结构：最简单的情形一维周期结构：最简单的情形78光子带隙的形成光子带隙的形成79发展历程发展历程80发展历程发展历程81二维光子晶体的中的光子带隙二维光子晶体的中的光子带隙82三维光子晶体的中的光子带隙三维光子晶体的中的光子带隙83三维光子晶体的态密度三维光子晶体的态密度84光子时代的半导体光子带隙材料与半导体的比较

PhotonicCrystalSemiconductorPeriodicityCharacter:

RefractiveindexElectricalpotential

PeriodSize:Opticalwavelength

DeBroglieWavelengthEigenequation:Maxwell’sequationSchrodinger’sequationDispersionRelation:~KphE~Ke光子时代的半导体光子带隙材料与半导体的比较85应用领域无损耗波导及各类分光光路无损失反射镜零阈值激光器及光学微腔光（电磁波）晶体管低阈值全光开关光（电磁波）放大器光子晶体光纤微波天线基板－－从理论上讲，通过设计光子（电磁波）带隙结构，可以获得几乎任何我们所需要的光（电磁波）功能－－能够使各类光学元器件集成到一起应用领域无损耗波导及各类分光光路－－从理论上讲，通过设86无损耗波导及各类分光光路无损耗波导及各类分光光路87光子晶体WDM光子晶体WDM88光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿。光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到1μｍ以下。

光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；89光子晶体表面发射激光器光子晶体表面发射激光器90全光开关与晶体管全光开关与晶体管91光晶体管原理光晶体管原理92微波调制器件微波调制器件93天线基板天线基板94“反OPAL”

结构PLZT陶瓷的制备MonodispersecolloidalsuspensionofpolystyrenemicrospheresColloidcrystal(fcc)ofpolystyrenemicrospheresPLZTprecursorgelinfilledpolystyrenemicrospheresSelf-assemblyInfiltratingPLZTprecursorintothevoidsofthecolloidcrystalanddryingSinteringCeramicPLZTinversedOPAL“反OPAL”结构PLZT陶瓷的制备Monodisper95“反OPAL”

结构PLZT陶瓷的形貌与结构Ifeelthatyouhavemadeanexcellentadvancementinartandscienceofformingphotoniccrystal.--DavidW.JohnsonJr.

“反OPAL”结构PLZT陶瓷的形貌与结构Ifeel96“反OPAL”

结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱“反OPAL”结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱97“反OPAL”

结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱“反OPAL”结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱98在片式电感阵列基础上的微波带隙结构在片式电感阵列基础上的微波带隙结构99微波传输谱微波传输谱100六角型矩阵的设计与制备

（a）设计阵列图案

（b）流延得到的基板光学照片六角型矩阵的设计与制备（a）设计阵列图案101微波传输谱（1）a)b)c)d)e)不同测试角度的微波传输谱微波传输谱（1）a)b)c)d)e)不同测试角度的微波传输谱102微波传输谱（2）带隙结构

微波传输谱（2）带隙结构103左手材料左手材料104什么是左手材料在一定的电磁波频段同时具有负介电常数和负磁导率的材料系统。颠倒了电磁波传播过程中电场、磁场和传播方向所应遵循的“右手定则”。什么是左手材料在一定的电磁波频段同时具有负介电常数和负磁导率105基本设计思想色散方程：在一个各向同性的物质中可写成：

1967年，前苏联Veselago首次了在同时具有负的介电场数和负的磁导率的材料

如果我们不考虑损耗，认为和

都是实数，则如果和

同时反号则对于这种关系没有影响。

基本设计思想色散方程：在一个各向同性的物质中可写成：106“逆行波”电磁波传播的能量是由坡印亭矢量表示

在一般的材料中，S与波矢k具有共同的方向，即电磁波的能量传输方向与相位传输方向相同在左手材料中，S与波矢k具有方向相反，表明能量的传输方向与相位的传输方向相反。

“逆行波”电磁波传播的能量是由坡印亭矢量表示在一107反常多普勒效应多普勒效应：在正常材料中，固定波源发出的电磁波，当接收器做接近波源的运动时，所接收的波的频率高于波源发出的电磁波的频率；反之，如果接收器做远离波源的运动时，波源接收的电磁波的频率将小于波源发出的电磁波的频率。在左手材料中，固定波源发出的电磁波，当接收器做接近波源的运动时，所接收的波的频率低于于波源发出的电磁波的频率；反之，如果接收器做远离波源的运动时，波源接收的电磁波的频率将高于波源发出的电磁波的频率。反常多普勒效应多普勒效应：在正常材料中，固定波源发出的电磁波108负折射率性质负折射率性质109理想透镜理想透镜110能否存在负介电常数和磁导率？一维电流当材料参数恒定时

其中

当介电场数与磁导率的乘积为正实数时，有两种可能的解，在n<0的解中，电磁波不是朝远离源的方向运动而是朝向源的方向运动。能否存在负介电常数和磁导率？一维电流当材料参数恒定时其中111负介电常数的实现Materialshavenegativepermittivityslightlybelowtheplasmafrequency,whichistypicallyinthevisiblespectruminmetals:Periodiclatticeofwireshasreducedelectrondensity,increasedeffectivemassduetoselfinductionp~10GHzJ.B.Pendryetal,Phys.Rev.Let.76,4773(1996)负介电常数的实现Materialshavenegativ112负磁导率的实现CreatemagneticresonancewithnonmagneticmaterialsUsesplitringresonatortogetcapacitive-inductiveresonanceStrongresonancegivesnegativeJ.B.Pendryetal,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.

47,2075(1999).负磁导率的实现Createmagneticresonan113SSR左手材料R.A.Shelbyetal,Science292,77(2001).

SSR左手材料R.A.Shelbyetal,Scie114基于传输线理论的左手材料传统的传输线模型

左手材料中的传输线模型

基于传输线理论的左手材料传统的传输线模型左手材料中的传输线115光子晶体中的电磁波“左手性质”光子晶体中的电磁波“左手性质”116特殊晶体介面导致的“左手现象”ImagesoflightpropagationinaYVO4bicrystalshowingtotalrefraction.Furthermorethematerialisamphoretic:itcanrefractinapositiveoranegativeway.Theupperpanelshowsanexampleofabnormal(negative)refraction,thelowerpanelshowsanexampleofnormal(positive)refraction.Notethatnoreflectionisvisibleatthebicrystalinterfacetothenakedeye.Thegreenlightrayhasawavelengthof532nm,whilethebluerayhasawavelengthof442nm.

特殊晶体介面导致的“左手现象”Imagesoflight117基于多层陶瓷工艺的LHM传输线理论为基础LC阵列结构小型、集成，易于器件化与LTCC技术相兼容基于多层陶瓷工艺的LHM传输线理论为基础118设计方法由色散关系得到：

设计方