超材料(metamaterials)在电子元件中的应用

第 27 卷 第 9 期 2008 年 9 月
电 子 元 件 与 材 料 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS
Vol.27 No.9 Sep. 2008
新一代片式元件
超材料(metamaterials)在电子元件中的应用
周 济
（清华大学 材料科学与工程系, 北京 100084） 摘要: 超材料（metamaterials）指的是一些呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料。它们的超 常特征来源于其中人工制备的、特殊的非均匀插入结构所导致的物理响应。介绍了近年来发展出的超材料包括左手材 料、 “隐身斗篷”和光子晶体等，对其在电子元件领域中的应用进行了评述和展望。 关键词: 电子技术；超材料；综述；电子元件；左手材料 中图分类号: TB39 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2008）09-0001-04
Applications of metamaterials in electronic components
ZHOU Ji
(Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China) Abstract: A new class of artificial composites that exhibit exceptional properties not readily observed in nature called metamaterials. These properties arise from qualitatively new response functions that are not observed in the constituent materials and result from the inclusion of artificially fabricated, extrinsic inhomogeneities. A few metamaterials being developed in recent years, including left-handed materials, invisible cloak and photonic crystals were summarized. Review and prospect on applications of metamaterials in the area of electronic components were presented. Key words: electron technology; metamaterials; review; electronic components; left-handed materials
metamaterial（超材料）是 21 世纪物理学领域出 现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学 文献中。拉丁语“meta-”，可以表达“超出、亚、另类” 等含义。对于 metamaterial 一词，目前尚未有一个严 格的、权威的定义，不同的文献上给出的定义也各不 相同，但一般都认为 metamaterial 是“具有天然材料所 不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。 在互联网上颇有影响的维基百科（Wikipedia）上，对 metamaterial 一词是这样解释的：“In electromagnetism (covering areas like optics and photonics), a meta material (or metamaterial) is an object that gains its (electromagnetic) material properties from its structure rather than inheriting them directly from the materials it is composed of. This term is particularly used when the resulting material has properties not found in naturally-formed substances”。这一解释可能是迄今对 metamaterial 一词给出的最科学规范的定义， 尽管这一 定义从目前的观点看过于狭隘（该定义似乎只针对电 磁领域的材料，而实际上，最新的研究表明 metamaterial 已经包括一些声学材料） 。 从这一定义中， 我们可以看到 metamaterial 的三个重要特征：
（1）metamaterial 通常是具有新奇人工设计结构 的复合材料； （2）metamaterial 具有超常的物理性质（往往是 自然界的材料所不具备的） ； （3）metamaterial 的性质往往不主要取决于构成 材料的本征性质， 而主要取决于其中的人工设计结构。 目前，人们已经发展出的这类超材料系统包括光 子晶体、左手材料、“隐身斗篷（invisible cloak）”和 全吸收超材料等。 近年来，各种超材料系统的出现引起了科学界的 广泛关注。1998 年和 1999 年，与光子晶体有关的研 究新突破先后两度被 Science 杂志列为世界上的“十大 科学进展”，2006 年底，该杂志又再次将光子晶体列 为未来自然科学的热点领域。而另一类超材料——左 手材料则是在 2003 年被 Science 杂志列为当年的“ 十 大科学进展”。2006 年底，由于英美两国科学家利用 与左手材料相类似的设计方法获得的梯度超材料成功 实现了“隐身斗篷”的功能， Science 杂志又一次将其列 为当年的“ 十大科学进展”。笔者将着重对近年来超材 料在电子元件领域的应用及发展动向做一简要介绍。
收稿日期：2008-07-31 作者简介 ： 周济 （1962－） ， 男， 吉林九台人， 长江特聘教授， 博士后， 主要从事信息功能材料研究。 Tel:(010) 62772975； E-mail: zhouji@https://www.360docs.net/doc/164244468.html, 。

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周济：超材料(metamaterials)在电子元件中的应用
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超材料与电子元件
基于超材料概念的材料设计方法是多种多样的。 事实上，早在 metamaterial 的概念出现以前，电子元 件的设计者已经有过非常类似的尝试，一个典型的例 子是多层陶瓷电容器（MLCC） 。MLCC 是 20 世纪 70 年代发明的一种电子元件，其结构如图 1 所示。它是 由陶瓷介质层和内电极交叠而成，相当于多个电容并 联在一起，使电容器的电极面积增加了若干倍。众所 周知，对于平板电容器，其电容量与其中的电介质材 料的介电常数、电极面积成正比，而与电容器厚度成 反比。因此，如果我们不把 MLCC 看成是一个多层器 件，而仅仅看成是由具有某一介电常数的陶瓷介质构 成的单层平板电容器，即把其中的多层结构看成是一 种“ 材料”（事实上是超材料） ，则该“材料”的表观介电 2 常数可高达陶瓷介质的 n 倍。这种结构的设计中，事 实上也包含了超材料的设计思想，只是没有把多层结 构看成是一种“ 材料”，而是将其视为“ 器件”。随着材 料技术的发展，“ 材料”的观念也在变化——以往人们 对“ 材料”的认识往往是“ 原材料”，而今天人们所研究 的先进材料， 很多都是具有在一定尺度上的结构调控。 因此，从广义上讲，可以把 MLCC 中的多层结构本身 看成是一种“ 材料”，而这种“ 材料”的性能将是普通材 料所无法比拟的。
端电极
内电极
现了材料对磁场的响应。在普通介质中，介电常数和 磁导率皆为正值，电磁波可以正常传输。电场强度、 磁场强度和坡印廷矢量遵从右手定则， 波矢的方向 （相 速度的方向）和坡印廷矢量的方向相同。介电陶瓷材 料可能有很高的介电常数，但其磁导率仅为 1；而铁 磁材料的磁导率可以很高，但介电常数却很低。铁氧 体是一类具有铁磁性的介质材料，其介电常数可以高 于普通铁磁体，而磁导率可以高于普通介质，但遗憾 的是其介电常数和磁导率都不可能特别高。而按照超 材料的设计思想，可以通过设计一些有序的介电–铁 磁复合材料，使磁导率和介电常数都相当高，这对一 些电子元器件的设计是非常有意义的。 当介电常数或磁导率两者之一可取负值。根据电 磁场理论， 电磁波在介质中无法传输， 表现为倏失波， 其振幅快速衰减。其中第二象限的材料（负磁导率材 料）一般认为在自然界中不存在，而金属在一定频段 下属于第四象限，即可能有负的磁导率。而通过超材 料的设计，这两个象限的材料都是可以实现的。 当介电常数和磁导率两者同时取负值。这种材料 在自然界中肯定是不存在的。但可以通过超材料的设 计来实现，这就是下文要介绍的“ 左手材料”。 目前实现左手材料的方案较多，但其核心思路主 要是 LC 结构的电磁谐振[1]。因此实现微波左手材料 的方法之一是采用无源电子元件（电容和电感）构成 的反传输线电路 [2] 。图 2(a) 是作者课题组首次利用 LTCC 技术制备的集成化左手材料的反传输线模块， 实验已观察到了其对 X 波段的左手传输特性， 如图 2(b) [3] 所示 。
介电材料 Fig.1 图 1 LTCC 结构图 Structure diagram of LTCC
超材料的一个较重要理念是巧妙利用材料中的关 键物理尺度。材料中所呈现的一些物理性质往往和材 料结构中的关键物理尺度有关。对于材料与各种波的 相互作用，波长尺度往往是材料的关键物理尺度。光 子（电磁波）晶体是利用关键物理尺度的控制来实现 材料超常物理性质的典型例子，它是通过在波长尺度 上材料的介电周期结构来实现电磁波在其中运动状态 的调控。而在调控电磁波方面，一些半经验的天线结 构设计也早在光子带隙理论提出之前就得到了应用。 这些尝试其实都有超材料思想的影子。 电磁介质是电子元件的关键材料。其电磁性质体 现在两个重要参数（复数）上，一个是材料的介电常 数，体现了材料对电场的影响；另一个是磁导率，体
(a) 5.8 5.0 4.2 y / mm 3.4 2.6 1.8 1.0 0.2 0.2 1.0 1.8 3.0 3.8 k 4.6 –1.570 00 –0.753 60 0.062 80 0.878 20 1.570 00
x / mm (b) 图 2 基于 LTCC 的集成化左手材料的反传输线模块(a)及其负折射性质(b) Fig.2 Integrated inverse transmission lime module fabricated by LTCC (a) and its negative refraction character

第 27 卷 第 9 期
周济：超材料(metamaterials)在电子元件中的应用
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基于左手材料的新型微波器件
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光子晶体光纤与光子晶体天线
左手材料是近年来新发现的某些物理特性完全不 同于常规材料的新材料，在电磁波某些频段能产生负 介电常数和负磁导率，导致电磁波的传播方向与能量 的传播方向相反，产生逆多普勒效应、逆 Snell 折射 效应、 逆 Cerenkov 辐射效应以及“ 完美透镜”等奇特的 电磁特性。这些特性可望在信息技术、军事技术等领 域获得重要应用。 左手材料的这些特性使其在微波领域具有广阔的 应用前景。例如：通过正负折射率周期交替的结构可 以获得具有优异微波特性的波导器件[4]；在一定的工 作带宽内人工材料会同时具有右手、左手特性即所谓 的“ 左右手混合材料(CRLH)”， 它可以大大缩小微带天 [5] 线的尺寸 ；利用异向介质在某个频段内折射率接近 于 0 的特性制造的天线， 波束透射到真空中时发生折 射的折射角接近于 0，基本上沿着近轴方向辐射，具 有很强的定向辐射能力[6]；左手材料还可以替代微带 天线的传统介质基板，利用其对表面波的抑制来减少 边缘散射，提高天线的辐射效率[7]；利用左手材料和 普通材料的双层结构构成的谐振器，可以使谐振腔的 尺度远远小于一个波长长度，只要满足 dr / dl =|nl| / |nr| 关系，即可在某个频率下实现谐振[8]。
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“隐身斗篷”与新型抗 EMI 器件
2002 年，麻省理工学院 Pacheco 和孔金瓯教授[9]等 从理论上证明了左手材料存在的合理性，并称这种人工 介质可用于电磁波隐身等。2006 年初，Pendry 等[10]预 言了超材料薄层能够让光线绕过物体，从而使物体隐 形。同年，Schurig 和 Smith 等[11]展示了这种“ 隐身斗 篷”的雏形。 “ 隐身斗篷”的基本原理是：通过在物体表面包覆 一层具有特殊设计的，具有一定介电常数和磁导率分 布的材料，这样入射光或电磁波将被弯曲，并且绕过 包覆层，从而出现隐身人的结果。通俗地讲，身穿“隐 身斗篷”的人就好像在空间中挖开了一个洞， 任何光和 电磁波将直接穿透这个洞，从而不会看到斗篷中隐藏 的物质。“ 隐身斗篷”将不仅仅被应用于“ 隐身”，凭借 它的帮助，任何电磁信号都可以更为有效地绕开干扰 和阻隔，从而保持信号的完整性。因此，“ 隐身斗篷” 在抗 EMI 器件中也将有广阔的应用前景。 最近，Landy 和 Padilla 等[12]提出了一种新的超材 料设计思想，这种新的超材料可以完全吸收辐射到其 表面的电磁波的电分量和磁分量。 这种“完美超材料吸 收器” 也可能为新一代抗电磁干扰器件提供一种全新 的思路。
光子晶体是由具有不同反射率的材料在空间交替 构成的一种周期结构。由于光（电磁波）在与其波长相 匹配的周期结构中运动时，受到周期的散射和衍射，于 是便产生了光的频率禁阻。在该系统中，某些频段的电 磁波强度因破坏性干涉呈指数衰减，无论横向还是纵向 的振动，都无法在介质中传播，形成电磁波能隙。 光子晶体为各类无源光电器件的制备提供了理想 的材料。已实现产业化的光子晶体光纤是目前应用最 广的光子晶体产品。一般来说，光纤是依赖于其内部 的反射来传播光的，这就要求其芯部的反射率要远大 于表面包覆层的反射率。但是通过“ 光子晶体”概念的 引入，Knight 等[13]提出了一个与传统光波传导完全不 同的结构，即利用二维光子带隙晶体把光限制在低反 射率区域附近。这种光纤的一个突出特点是，它可以 把光限制在低介电常数区域，从而实现光在空气中的 传播，因此光的传播损失是很小的，还可以传输较高 能量的光，除此之外还产生了其它的一些特性。另一 个典型例子是微波带隙天线。传统的微波带隙天线制 备方法是将天线直接制备在介质基底上，这样就导致 大量能量被基底所吸收，因而效率很低。例如，对一 般用 GaAs 介质作基底的天线反射器，98%的能量完 全损耗在基底中，仅 2%能量被发射出去，同时造成 基底发热。利用光子晶体作为天线的基底，此微波波 段处在光子晶体的禁带中，因此基底不会吸收微波， 这就实现了无损耗全反射，把能量全部发射到空中。
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负介电常数材料与无绕线电感
自 19 世纪法拉弟发现电磁感应现象一百多年来， 感性元件被广泛应用于各类电路中，成为电子和电力 系统中必不可少的组成部分。然而，一直以来人们所 使用的感性元件都是较为复杂的绕线式结构。 2006 年， 笔者课题组在对共振型陶瓷介质研究的 基础上，提出了基于负介电常数介质的无绕线电感器 元件的设计思想，改变电感类元件必须通过绕线结构 来实现的传统观念。研究结果发现，通过介电共振至 少能够产生“ 表观”的负介电常数，在这种材料的基础 上，提出一种全新的无绕线结构的感性元件设计思想 ——利用具有“ 表观”负介电常数的陶瓷介质构成的电 容结构产生的负电容，在相对简单的结构中实现感抗 功能[14]。由于这类感抗元件不需要复杂的绕线结构， 可为感性元件尺寸的进一步减小开辟一个广阔空间。
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结束语
尽管目前超材料在科学领域是一个全新的概念，

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周济：超材料(metamaterials)在电子元件中的应用
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但其中的某些设计思想与电子元件的一些思路不谋而 合。一些超材料可以看成是“ 元器件化”的“ 材料”。然 而，超材料似乎走得更远，不仅超越了天然材料的自 然极限， 也突破了人们常规思维的极限。 这些新的“材 料” 系统和设计思路为新型电子元件的创新与发展提 供了广阔的空间。
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电子制造：在环保与成本之间寻找平衡点
电子制造产业链上下游之间在环保理念上存在较 大差异，如何在环保和成本之间寻找一个平衡点，需 要企业认真思考。 在电子制造这条产业链条中，上下游企业之间在环 保方面的推进和环保理念的形成上存在较大的差异，有 专家认为，企业之间在整体上和在更长远的时间内共同 利益要大于彼此之间的利益冲突。但是，在短时间内和 共识没有形成之前还是存在很多的利益冲突。有效的沟 通和良好的合作是执行的前提，环境保护问题是企业必 须认真对待并加以解决的。如何在环境保护和成本之间 找到一个平衡点是企业需要认真思考的。 EMS( 电子制造服务)企业是受国家产业政策影响 较大的行业。EMS 企业的环保节能问题解决不好，其 发展将会从得到政策的鼓励转为被政策限制发展。 中国的 EMS 企业与全球同行业相比较，价格优 势是明显的。北京柏瑞安科技公司市场部经理钱强在 接受《中国电子报》记者采访时认为，我们必须走在 全世界同行的前面来重视环保和节能问题，并解决好 它，才能保持住我们现在所获得的优势。 也就是说作为 EMS 企业要利用已经形成的规模 优势， 快速地利用现在已经出现的新技术和新材料(环 保型的和资源节约型的)， 最大可能应用到现在的产品 中去，快速形成新的规模优势，使其产生经济效益， 如果没有企业具备这样的能力，那么这样的环保技术 就太超前了，环保也就推行不下去。所以，最后还是 归结为环保给企业带来的成本压力有多大。 目前，环保意识人人都有，而且环保意识提升的 速度要比我们想象的快得多。供应链中每一个环节都 在寻找环保为自己环节带来的机会，这种机会在很大 程度上就是商机。张海程认为环保与成本并不矛盾， 但关键是要找到好的切入点和切入的时间，如果切入 的时间过早，时间过长，企业看不到环保带来的现实 性， 企业就不会有积极性去从事环保工作。 “环保要一 步一步走，环保带来的效果是需要时间来证明的，如 果每次的改进付出的成本不高，又可以看到未来的回 报，我相信很多企业会愿意去做。”张海程表示。 总的来说，电子制造企业作为采用新技术最多、 产品涉及的人群最广的领域，在环保方面应该承当责 无旁贷的义务。钱强认为，在减少铅的使用和其它节 能减排措施的采用上企业应投入最大的财力来保证其 实施， 同时政府也应考虑大部分企业的实际承受能力， 保证大部分企业能够健康发展。
（摘自中国电子报，2008-08-19）