功能材料(负折射率材料)
负折射率材料
超颖材料（Metamaterials）的发展李雄SC08009037 机密机械与精密仪器系本人博士阶段的课题方向为超颖材料（Metamaterials）的设计与应用。
Metamaterials这一概念在提出之初，通常指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质)，因此它又称负折射率材料、左手材料或双负材料，这在自然界中并不存在。
然而随着这一新兴领域的发展，其研究范围被不断扩展，目前，它的范围已包含负折射率材料，单负材料（人工复介电常数材料(ε)和人工复磁导率材料），人工超低折射率材料和超高折射率材料等等。
Metamaterials是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，正因为其具有自然界物质不存在的奇异特性，因而受到广泛关注，并已在其相关的几个实际应用领域显示出了巨大的应用前景。
1、Metamaterials的发展概述拉丁语“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，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。
但一般文献中都认为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”。
从这一定义中，我们可以看到metamaterial重要的三个重要特征：（1）metamaterials通常是具有新奇人工结构的复合材料；（2）metamaterials具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；（3）metamaterials性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。
尽管metamaterials的概念出现于21世纪，但追溯其源头则可以找到上一世纪中后期几位杰出科学家的“灵光一闪”。
1967年，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。
负折射率材料特点及其应用
负折射率材料的特点及其应用背景自然界存在的介质都是折射率大于0的，我们常接触的材料的折射率多数都是大于1，在定性思维的误区下，人们认为介质的折射率都为正。
直到1968年，苏联物理学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）【1】提出了负折射率的理论。
由于韦谢拉戈的这一设想完全颠覆了人们所认知的光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，在许多现象描述上完全背离常规，所以在相当长的时间内都不被人们认可，这种荒诞的想法没有必要去研究证明。
Veselago为了证明自己的观点开始苦苦寻求满足要求的物质，但是他失败了。
没有充足的证据证明他的猜想，渐渐地就被人们淡忘了。
19966年~1999年，英国的Pendry从理论上提出了一种由开路谐振金属环构成，具有等效的负介电常数和负磁导率的三维周期结构，【2】~【3】这一发现理论上证明了负折射率材料的可存在性，使Veselago的猜想重新摆在了人们面前。
不久，美国的Smith等在2000年金属丝板和SRR板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质，从实验上验证了负折射率的存在。
【4】~【5】他们研制出了相应的器件，负折射率材料由此进入了实质性研究的阶段。
2001年，Shelby等人首次在实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材料的分界面时，折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。
【6】图1.负折射率的超材料近年来，负折射率材料的研究愈发成为科学界的热点，这要应用于军事、航天等高端领域，起因了国内外众多研究者的注意，涉及电磁波、光电子学、材料学等方面。
随着对负折射率材料的研究，又掀起了一阵对新兴领域的发展，即超颖材料（Metamaterials ）。
超颖材料不只包含负折射率材料，也包含单负材料，人工超低折射率材料和超高折射率材料等。
【7】正如折射率材料的提出一样，超颖材料的重要意义不仅体现在所研制出的几种人工材料，也体现在了一种全新的思维方法。
左手材料天线
左手材料天线左手材料天线是一种新型的天线结构，它利用左手材料的特殊性质来实现对电磁波的辐射和接收。
左手材料是一种具有负折射率的材料，它具有一些非常奇特的电磁性质，例如负折射率、负抗性、负色散等。
利用这些特性，左手材料天线可以实现一些传统天线无法实现的功能，例如超宽带、宽角度辐射、多频段工作等。
因此，左手材料天线在通信、雷达、无线电等领域具有广阔的应用前景。
左手材料天线的工作原理是基于左手材料的负折射率特性。
在传统的天线设计中，通常使用正折射率的材料来实现对电磁波的辐射和接收。
而左手材料天线则采用具有负折射率的左手材料来实现对电磁波的控制。
当电磁波穿过左手材料时，由于其负折射率特性，电磁波的传播方向会发生反转，从而实现对电磁波的控制。
这种特性使得左手材料天线可以实现一些传统天线无法实现的功能，例如超宽带、宽角度辐射、多频段工作等。
左手材料天线具有许多优点。
首先，由于左手材料具有负折射率特性，可以实现对电磁波的精确控制，从而实现更高效的辐射和接收。
其次，左手材料天线可以实现超宽带、宽角度辐射、多频段工作等功能，具有更广泛的应用范围。
此外，左手材料天线的制作工艺相对简单，成本较低，适合大规模生产和应用。
在实际应用中，左手材料天线已经得到了广泛的研究和应用。
在通信领域，左手材料天线可以实现更高效的信号辐射和接收，提高通信质量和覆盖范围。
在雷达领域，左手材料天线可以实现更宽波束宽度和更高分辨率，提高雷达探测和跟踪性能。
在无线电领域，左手材料天线可以实现多频段工作，适应不同频率的信号传输和接收。
总之，左手材料天线是一种具有广阔应用前景的新型天线结构。
它利用左手材料的特殊性质，实现了对电磁波的精确控制，可以实现超宽带、宽角度辐射、多频段工作等功能，具有更高效的辐射和接收特性。
在通信、雷达、无线电等领域具有重要的应用价值，将为相关领域的发展带来新的机遇和挑战。
随着左手材料天线技术的不断进步和完善，相信它将在未来发挥越来越重要的作用。
超材料光学特性及其应用展望
超材料光学特性及其应用展望一、前言超材料是指由人工合成的材料，拥有超常的性质，常表现为负折射率、超透明、折射率和光速的改变等。
这些性质使得超材料在光学应用中具有重要的作用，被广泛地应用于光电子学、信息科学、能源科学等领域。
本文将重点探讨超材料的光学特性及其应用展望。
二、超材料的光学特性1.负折射率超材料中的电磁波传播规律与自然界中的折射规律形成了鲜明的对比。
相比于自然界中的材料，超材料中的电磁波的折射率是负的。
对于具有负折射率的材料，光波在材料中传播的过程中会做出一些与自然材料完全不同的反向弯曲行为，这种行为对于学者们而言具有很大的困惑和挑战。
2.超透明超材料还有一个特别显著的特性，就是它们可以同时是透明材料和吸收材料。
在这些材料中，光子会频繁地被吸收和辐射出来，但整体上却可以表现出一个类似于透明物体的状态。
超透明的超材料主要是通过周期性的排列结构实现的，结构的尺度远远小于光波的波长，因此能够完美地过滤掉非常窄的波长区间。
3.折射率和光速的改变超材料的另一个光学特性是可以通过控制相对介电常数和相对磁导率的值来实现对光速的控制。
这种控制效果在可见光波段中很难实现，同时涉及到的材料性质非常复杂，研究难度很大。
三、超材料的应用展望1. 光学透镜在超材料中经常采用聚焦原理，从而实现像普通透镜一样的成像效果。
超材料的透镜具有弥散性小、直径小、加工方便、造价低廉等特点，极大地拓展了透镜应用的领域。
2. 人体组织光学成像超材料的吸收特性可以被用于人体组织光学成像中，从而实现更好的成像效果，并且不会对人体组织造成伤害。
这种成像方法被称为超材料光学相干断层扫描（OCT）。
3. 热辐射与太阳能吸收研究表明，超材料可以在可见光和红外波段中减小辐射传递的热效应，从而达到优异的隔热效果。
同时在太阳能吸收上也具有巨大潜力，可解决传统能源稀缺的问题。
四、结论总之，超材料体系是科学家们发掘和运用新颖物理的重要领域。
它具有独特的物理效应、优异的性能及广泛的应用前景。
负折射率材料的基础研究
负折射率材料的基础研究随着科技的不断进步，新型材料的研究与发展日新月异。
其中，负折射率材料作为一种具有特殊光学性质的材料，引起了科研人员和工程师们的广泛。
负折射率材料在光子学、液晶显示、声学等领域具有广泛的应用前景，为现代科技的发展带来了许多新的可能性。
然而，由于负折射率材料的特殊性质，仍存在许多挑战和问题需要解决。
本文将对负折射率材料的基本原理、应用场景、制备方法及其未来发展方向进行详细阐述。
负折射率材料是一种具有特殊光学性质的材料，其介电常数和磁导率均为负值。
这种材料的发现与研究，突破了传统光学理论的限制，为光学领域的发展带来了新的机遇。
实验研究和理论分析表明，负折射率材料的电磁波传播特性与常规材料截然不同。
在负折射率材料中，电磁波的传播速度会降低，且传播方向会发生反转。
这种奇特的现象，使得负折射率材料在光子学、声学等领域具有广泛的应用前景。
光子学应用在光子学领域，负折射率材料的应用具有重要意义。
由于该材料中电磁波传播特性的改变，使得光的传播行为发生变化。
例如，利用负折射率材料制造的透镜，可以实现常规透镜无法完成的成像效果，为光子学的发展带来了新的突破。
负折射率材料还可以应用于光子晶体、光子集成电路等领域，提高光子设备的性能和集成度。
液晶显示是一种广泛使用的显示技术，具有低功耗、重量轻、体积小等优点。
将负折射率材料应用于液晶显示中，可以显著提高显示效果。
利用负折射率材料的逆斯涅尔效应，可以实现图像的清晰度和对比度的提高，同时降低反射光的影响，提高液晶显示的视觉效果。
正文3：负折射率材料的制备方法、工艺和生产流程负折射率材料的制备方法主要有纳米制备技术、化学合成和生物制备等。
纳米制备技术包括纳米颗粒制备、纳米纤维制备等，通过控制纳米结构的尺寸和分布，可以得到具有负折射率的纳米材料。
化学合成是通过化学反应合成具有负折射率性质的材料，例如金属有机框架材料等。
生物制备则是利用生物分子的自组装和生物矿化等方法，制备具有特定光学性质的生物复合材料。
左手材料-负折射率材料
借鉴自然界中的原子和分子结构，设计新型的人工原子和分子结构， 以实现更高级的左手材料功能。
多物理场调控材料
探索在电磁场、温度场、压力场等多物理场作用下，左手材料的性 能变化和调控机制，为新材料的研发提供理论支持。
技术创新与应用拓展
高效制备技术
研发新型的制备技术，实现左手材料的快速 、低成本、大规模制备，以满足市场需求。
引领科技革命
左手材料在通信、能源等领域的应用前景广阔，有望引领新一轮 的科技革命。
促进交叉学科发展
左手材料涉及物理学、化学、生物学等多个学科领域，其研究将 促进交叉学科的发展和融合。
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05 左手材料面临的挑战与解 决方案
材料稳定性问题
总结词
左手材料的稳定性问题是限制其应用的关键因素之一。
详细描述
左手材料在外部环境变化下容易发生结构变化和性能衰退，这会影响其负折射率的稳定性和可靠性。
制备成本问题
总结词
高昂的制备成本是阻碍左手材料广泛应 用的重要因素。
VS
详细描述
目前，左手材料的制备通常需要复杂的实 验设备和精细的工艺控制，这导致了较高 的制造成本。降低制备成本是推动左手材 料普及的关键。
应用领域
微波器件
利用左手材料的特殊性质，可 以设计出性能优异的新型微波
器件，如滤波器、天线等。
光学领域
左手材料在光学领域的应用前 景广阔，如光子晶体、光学隐 身等。
军事领域
由于左手材料具有反向的 Doppler效应等特性，可以应 用于军事雷达和隐身技术。
生物医学
左手材料在生物医学领域也有 潜在的应用价值，如医学成像
电磁超材料的研究与应用
电磁超材料的研究与应用随着科技的不断发展，人们对于材料的研究也越来越深入。
电磁超材料就是近年来备受瞩目的一种新型材料。
电磁超材料的研究与应用不断推进着人类科技的前进步伐。
电磁超材料是一种特殊的材料，其特点是具有负折射率、负介电常数或负磁导率等特性。
在这种材料中，电磁波可以以一种完全不同于常规材料的方式传播。
其具有反常的传输特性和无限小散射特性，这让人们看到了电磁光学在几何光学之外的另一种可能。
电磁超材料的研究始于20世纪90年代，当时美国D.R. Smith 重构了Bonnet原始的类负折射材料结构，成功的制备了第一代电磁超材料。
之后，又有一系列的研究开展，制备出多种电磁超材料，包括金属结构、负折射率材料、金属-绝缘体多层结构、透明导电材料等。
因为电磁超材料特有的特性，它在科技领域中被广泛应用。
电磁超材料可以被用来制造新型的吸波材料、新型的光学器件、新型传感器、新型超材料元器件等。
目前，电磁超材料已经成功应用于红外探测器、太阳能电池、雷达系统、天线等领域，迅速带动了科技进步的步伐。
例如，电磁超材料可以被应用于红外探测器的升级换代。
红外波段是是一种特殊的频带范围，因为其波长长短，穿透力强，所以在现代军事攻防中被广泛应用。
然而，由于现有的红外探测器对于红外辐射的探测能力有限，存在探测距离短和探测精度不高等问题。
而电磁超材料可以在红外波段中形成超常的光学效应，改善了探测器对于红外辐射的响应，可在红外探测器中发挥重要作用。
此外，电磁超材料也可以被用来制造新型的太阳能电池。
太阳能电池是目前被广泛应用的清洁能源电池，但是由于其能效有限，不利于太阳能的广泛应用。
利用电磁超材料制造的太阳能电池，可以用更低的成本生产出更高效率的太阳能电池，从而大大降低了太阳能成本。
总的来说，电磁超材料是一种新型的功能材料，具有非常好的应用前景。
电磁超材料的研究目前还在不断推进中，未来还会有更多的应用出现。
我们期待着这种材料可以在未来的科技领域中，为人们创造更多更高端的产品，带来质的飞跃。
超材料在隐身技术领域的应用
超材料在隐身技术领域的应用目录编者按 (1)1.超材料介绍 (1)2.超材料的隐身技术应用优势 (3)3.超材料的隐身技术军事应用进展 (4)4.超材料的隐身技术军事应用前景 (5)编者按超材料具备常规材料所不具备的超常物理性能，能够实现对光波、电磁波、声波的操控，由此带来武器装备性能的提升和设计自由度的拓展。
近年来，超材料在隐身技术领域的应用成果不断涌现。
作为提高武器系统生存与突防尤其是纵深打击能力的有效手段，超材料已成为立体化战争中最有效的突防技术手段。
1.超材料介绍超材料又名超颖材料，是指具有人工设计的结构、呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，介于宏观与微观之间的介观微结构是超材料的基本组成单元。
它通过复杂的人造微结构设计与加工，实现了人造“原子”及其组合，可以改变原有材料对电磁场的响应。
超材料技术是一个跨学科领域，涉及电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、材料科学、半导体科学以及纳米技术等，其设计思想和方法成为发掘材料新功能、引领产业新方向、提高材料综合性能的重要手段，是继高分子材料、纳米材料之后新材料领域又一重大突破。
超材料是一个热门研究课题，尤其在涉及现代天线结构的领域更是如此。
今天我们就一起来认识一下。
超材料的简介超材料CmetamateriaD,其中拉丁语词根表示“超出、另类”等含义，因此一般文献中给出超材料的定义是“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。
”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复合材料。
简而言之，超材料是指能够实现自然界中未知特性的材料和结构的组合，是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。
超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。
超材料的设计思想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”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。
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负折射率材料
实验中发现，在某种材料中，光线的折射与正常折射不同，正常折射时，光线会位于法线的不同侧，在这种材料中，光折射时，光线位于法线的同侧，因此称之为负折射现象，这种材料叫做负折射率材料。
在负折射率材料中，电场、磁场和波矢方向符合“左手法则”，而不是常规材料中的右手定则，所以具有负折射率的材料也被称为左手材料。
光波在其中传播时，能流方向和波矢方向相反，用同时具备负介电常数和负磁导率的超材料可以得到这一现象，此时超材料具有负折射率，这样的材料也被叫做负折射率材料。
光波是一种电磁波，在传播过程中，电场、磁场和波矢方向遵守右手定则)//(k H E ⨯。
光发生正常折射时，遵守折射定律)sin sin (2211i n i n =，入射光线和折射光线在法线的不同侧，同时遵守费马原理——光程沿平稳值的路径而传播。
但是当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料时，介电常数和磁导率都为负)0,0(<<με，折射率n 取负值
)0(<-=εμn ，
电场、磁场和波矢符合左手定则，能流方向和波矢方向相反)(⨯=。
自然电磁材料以原子或分子构成，光学和电磁性质通过化学来改变，介电常数和磁导率既定且取值有限。
而超材料一般认为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，通过单胞的几何排列，设计出不同的结构单元，原则上能够实现几乎任意的电磁参数，比如负值。
在晶体学中，原胞是最小重复单元具有一个格点，格点上的原子是一个或者两个或者两个以上，单胞是原胞的整数倍，可以通过改变单胞的形状、大小和构型，使单胞达到几十或者几百个原子的量级，甚至更高，从而改变材料的电磁参数，由此控制电磁波的传输。
调控电磁参数可以使材料的折射率为负值，使得这种超材料成为负折射率材料。
目前扫描隧道显微镜（STM ）可以观察和定位单个原子，此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K ）可以利用探针尖端精确操纵原子，所以可以利用扫描隧道显微镜改变单胞的几何结构，得以实现具有负折射率的超材料。
研究发现负介电常数可以由长金属导线阵列（ALMWs ）这种结构获得，微型金属共振器，比如具有高磁化率的开口环形共振器（SRRs ）可以实现负的磁导率。
将这两种结构结合，即金属导线和开口谐振环阵列结构，可以实现负折射率材料。
除此之外，串联电容和并联电感的周期性结构，以及利用量子相干效应或者EIT （电磁感应透明）效应也可以实现负折射率材料。
因为量子相干性，或者说“态之间的关联性”，是描述电子向右自旋和正电子向左自旋的状态是相关联的这一现象。
EIT 也叫电磁感应透明，是由原子光激发通道之间的量子相干效应引起的，并导致光在原子共振吸收频率处的吸收减小甚至于变成完全透明，是一种消除电磁波在介质中传播过程中所受到的影响的技术。
可以将铜做成金属导线和开口谐振环阵列结构，再添加其它物质做成复合材料。
因为铜有很好的延展性，导热和导电性能较好，并且铜在自然界含量丰富，化学性质很稳定，是抗磁性材料。
铜已经得到广泛应用，我们对铜的研究已经很完善。
铜的熔点较低，容易再熔化、再冶炼，回收利用相当的便宜。
此外，铜是人体健康不可缺少的元素，且它的潜在毒性较低。
复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良和耐化学腐蚀等特点。
以铜为主要元素的复合材料，以不同方式组合而成，可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围，可以满足不同的需求。
根据广义相对论，时间和空间都是可以“弯曲”的，而空间里的光线同样可以弯曲，利用负折射率材料，改变材料的单元结构，通过不同的结合结构和排列设计，实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的想法。
据此，负折射率材料可以扭曲光波，阻碍人眼看见物体；或者使电磁波绕过目标实体而实现隐身。