论文翻译——柔性超表面、超材料教材
声学超材料
1超材料1.1概述超材料(Metamaterials)指的是一种特种复合材料或结构，通过在材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。
超材料由自然材料制成的“积木块”(尺寸为微毫米级)构成。
这些“积木块”称为人工原子(meta-atoms)，当不同的人工原子组合在一起时，会形成单个人工原子所没有的材料属性和功能特征。
一般情况下，常规自然材料的物理属性取决于构成材料的基本单元及其结构，例如原子、分子、电子、价键、晶格等。
这些基元与显微结构之间存在关联影响。
因此，在材料设计中需要考虑多种复杂的物性因素，而这些因素的相互影响也往往限定了材料性能固有极限。
为此，超材料设计从根本上摒弃了自然原子设计所囿，利用人工构筑的几何结构单元，在不违背物理学基本定律的前提下，以期获得与自然材料迥然不同的超常物理性质的新材料。
简言之，超材料是一大类型人工设计的周期性或非周期性的微结构功能材料，具有超越天然材料属性的超常物理性能。
超材料借助人工功能基元构筑的结构设计源起于(但不限于)对自然材料微结构的模仿，从而获得为人类所希冀的负折射、热隐身、负刚度、轻质超强等天然材料所不能呈现的光、热、声、力学等奇异性能。
从这个角度讲，超材料的结构设计理念具有方法论的意义，解除了天然材料属性对创造设计的束缚。
尽管这一理念早在上个世纪就已在电磁领域初具雏形，不过直至近十年来，方才开启研发电磁波的调控，以实现负折射、完美成像、完美隐身等新颖功能。
随着先进制造技术的进步，具有更多样化、更新奇力学特性的力学超材料物理模型也相继不断展现。
尤其是当超材料的个性化独特微结构设计与3D打印制造技术形成了完美的契合之时，两者之间相互整合协同创新，正开启全面推进材料创新设计和制造的新格局。
1.2超材料类型及研究现状材料的属性，不是仅仅由一种物性决定，也不是几种晶体学特性的总和，或是一系列的微尺度晶界工程特性来决定的，而是由材料晶体结构各个单元之间的本构关系，也就是不同晶格单元之间如何组合的结构拓扑关系所决定的，而这些外在表现出来的宏观物理学的行为属性，发挥着其应有的可利用价值。
超材料(metamaterials) 超越材料性能的自然极限
收稿日期:20052092152z j @文章编号:049026756(2005)0z220015202“超材料(metamaterials )”:超越材料性能的自然极限周 济(清华大学材料科学与工程系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京100084)“Metamaterial ”是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇.拉丁语“meta 2”,可以表达“超出...,亚...,另类”等含义.对于metamat erial 一词,目前尚未有一个严格的、权威的定义,但一般文献中给出的定义是“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”.目前人们已经发展出的这类“超材料”包括光子晶体、左手材料以及超磁性材料等等.“超材料”的基本设计思路是以某种具有特殊功能的人工结构为基础.例如,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,一个最直观的例子是晶体.晶体是自然界中物质的有序结构的一个重要形式,它的有序主要存在于原子层次,正是由于在这个尺度上的有序性调制,使晶体材料形成了一些无定型态所不具备的物理特征.由此类比,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.因此,人们可以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.迄今人们所使用的各类功能材料都是建立在天然材料所具有的性质的改进和提高上.随着材料设计和制备技术水平的不断改进与提高,对天然材料各种性质和功能的进一步发掘与利用的潜力空间逐渐缩小并趋于极限,因此,“超材料”思想的提出无疑会对新材料的设计与开发带来新的机会.“超材料”这一名词的出现与一类被称为“左手材料”或“左手物质”的材料系统息息相关,狭义的“metamaterial ”往往指的就是这类材料.该材料近一两年来引起了学术界的广泛关注,被“Science ”杂志评为2003年的“年度十大科学突破”之一.“左手”材料是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率).光子晶体是一类可能在未来信息技术中发挥重要作用的“超材料”系统.这类材料的基本特征是通过和电磁波波长相当的尺度上的人工周期性结构对一定频段的电磁波形成“带隙”,类似与半导体的晶体结构对电子物质波的调制而形成电子能带带隙一样.这类材料已在一些信息器件中获得了应用.近年来还出现了一系列磁性“超材料”,如:通过将软磁铁氧体和硬磁铁氧体的有序复合,利用软磁铁氧体的高磁化强度和硬磁铁氧体的高矫顽场特性的相互作用和耦合,进而获得具有高磁能积的磁性材料;通过对具有高磁导率金属磁性材料在纳米尺度的有序化设计,获得既具有高磁导率、又具有高截止频率的新型软磁材料系统,其起始磁导率和频率之积远高于软磁铁氧体材料.此外,利用磁性材料和介质材料的有序设计,也可获得既具有高的介电常数,同时也具有高磁导率的“超电磁介质”材料.从作者个人的观点看,广义地讲,多层陶瓷电容器、半导体超晶格材料也属于一种超材料.左手材料2L HM (left 2hand material s)也被称为double negative metamaterial s (DNM),negative refraction index mat erial2005年10月第42卷增刊2四川大学学报(自然科学版)Journal of S ichuan U niversit y (Nat ural Science Edition)Oct.2005Vol.42 Issue 2E mail :ho u i mail.tsing .c n61四川大学学报(自然科学版)第42卷(N RI).左手材料的思想是前苏联人Veselago首先提出的,最近获得广泛的关注.在一篇1968年的文献中,Veselago预测了在同时具有负的介电场数和负的磁导率的材料中传播的电磁波的传播方向与能量的传播方向相反.这一结果源于Maxswell方程的卷积形式.这一方程确定了一个关于电场强度E磁场强度H和波矢量k之间的右手规则.同时能量的传播方向被定义为E×H,也同时形成了一个右手的系统.当折射率为负的时候,波矢量方向与能量方向相反.E,H,k形成左手规则,这也就是Veselago预测的左手材料.在最近的几年里左手材料在理论和试验上都获得了突破.左手材料具有许多独特的性质.包括:电磁波在左手材料中传播时,能量的传输方向与相位的传输方向相反、反常的多普勒效应、折射时入射光线与折射光线处在平面法线的同侧、以及由此导致的“完美透镜”功能等及左手材料可提供具有超常电磁性质的新型物理系统.可以预期,这类材料率先获得应用的领域将是信息技术领域.目前已提出的相关元件微波天线、透镜等.另一类新型“超材料”是光子晶体,其最根本特征是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的.当原子被放在一个光子晶体里面,且由它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时,由于该频率光子的态的数目为零,因此自发辐射几率为零,自发辐射也就被抑制;反过来,光子晶体也可以增强自发辐射,只要增加该频率光子态的数目便可实现,如在光子晶体中加入杂质,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,这样便可以实现自发辐射的增强.通过设计光子带隙结构,人们可以获得天然材料所不具有的光功能.目前建立了很多光子晶体的有源和无源光学器件模型,并且已经有部分光子晶体产品,如光子晶体光纤、低阈值激光振荡器、高效率发光二极管、微波天线等.“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在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.。
超材料与超表面
超材料与超表面随着科技的不断发展，越来越多的新技术和新材料走进了我们的生活中。
其中，超材料和超表面是近年来备受瞩目的两个研究领域。
本文将着重介绍这两个领域的基本概念、应用和未来发展方向。
一、超材料超材料（metamaterial）是由许多微小结构构成的人造材料，具有优异的光电学性能。
超材料的最大特点是能够改变光线的传播方向、折射率、极化等物理性质，因此被广泛应用于物理光学、电磁波传播和信息学等领域。
在超材料的结构中，微小结构的尺寸通常小于波长，贡献的电磁响应主要来自于人工结构中的微观规律，而不是材料本身的性质。
超材料的设计需要满足宏观物理性质和微观结构之间的精准耦合。
一般来说，超材料的结构可以分为等离子体材料、电磁共振材料、自然材料等多种类型。
超材料的应用十分广泛。
除了物理光学、电磁波传播和信息学领域外，超材料还可以用于微波通信、声学、量子计算等方面。
目前，已经有许多组织和机构投入大量精力研究超材料，例如哈佛大学、麻省理工学院和斯坦福大学等。
二、超表面超表面（metasurface）是一种微小结构组成的表面，其厚度远小于波长。
超表面的特别之处在于，它能够精确调控入射光波的波前，实现任意的相位变换和光场变形。
同时，超表面还具有极强的穿透、反射和吸收能力，因此被广泛应用于光学成像、光学通信和偏振光学等领域。
超表面的优点在于其结构的简单性、易制备性和可控性。
超表面主要分为金属超表面和非金属超表面两类。
其中，金属超表面主要由金属纳米结构构成，能够导致局部表面等离子体共振；而非金属超表面则主要通过调控媒介介质的结构实现相位调控和光场变形。
目前，超表面的研究已经逐渐成为了国际上一个热门的领域。
超表面的应用涵盖了智能电子、光子学计算和多媒体通信。
<br/>三、未来发展趋势虽然超材料和超表面已经吸引了众多科研人员进行研究，但仍然有很多未知领域等待我们的探索。
第一，超材料和超表面的应用将会越来越广泛。
超材料与超表面在光学中的应用
超材料与超表面在光学中的应用随着科技的不断进步，研究领域已经扩展到了许多新的领域，其中一个非常重要的领域就是光学。
在这个领域中，超材料和超表面已经成为了一个非常受瞩目的研究热点。
那么，超材料与超表面在光学中有着哪些应用呢？首先，我们需要了解一下什么是超材料和超表面。
超材料是一种材料，它的电磁性质不同于自然材料，可以用来控制电磁波的传播和散射。
超表面则是一种表面结构，由很多子波排列组成，可将电磁波的反射和透射特性控制到很高的程度。
超材料和超表面能够通过控制电磁波的反射和透射来实现许多有用的光学应用。
其一是超材料和超表面的天线应用。
正常天线会受到空间角度和频率的限制，而超材料天线和超表面天线则能同时控制频率、波束角和极化等，这种用途被称为全方位相控阵天线。
此外，这种天线还能够实现各向同性特性和宽带性能，在某些需求很高的场合被广泛应用。
其二是机器视觉应用。
超材料和超表面的光学特性能够为机器视觉提供更多的可能性，比如在3D打印过程中已经被广泛采用。
厚度和几何图形的影响可以通过超表面来消除，此外还可以通过这些材料来提高光谱成像的分辨率和灵敏度，进一步改善机器视觉的功能。
其三是光学波导应用。
通过在超材料和超表面上制造周期性结构，可以获得类似于自由空间光学波导的性质，并在其中传输光波。
这可以应用于高速光电路、微波通信、光电子器件等许多领域，可以实现更快的光传输速度和更小的器件尺寸。
其四是传感应用。
超材料和超表面能够通过控制传感器表面的反射和透射效果来提高传感器的灵敏度和响应速度。
比如可以用超表面来增强太阳能电池的吸收性能，在光伏领域有着很高的应用价值。
此外，还可以应用于人工眼睛、化学传感器、生化传感器等诸多场合，实现更高的灵敏度和更快的反应速度。
总之，超材料和超表面在光学中的应用非常广泛，能够提供许多有用的光学特性，从而改善现有的光学性能和实现新的功能。
尽管这些研究还处于起步阶段，但是随着技术的不断进步，这些应用前景非常广阔，相信未来会有更多突破和发展。
超材料的前沿技术研究及应用-元表面：物理与应用全文
真实实现
我们将这些复杂结构用一个双层特异介质模型来描述（郝加明）
Sievenpiper et al, IEEE Trans.
Micro. Theory Tech, 47, 2059 (1999)
磁介质+金属板
奇异阻抗（反射位相）的应用
1. 亚波长谐振腔及定向辐射
New concept: Metasurface
Hao, et. al., PRL 99, 063908 (2007), PRA 80 023807 (2009); PRB 77, 094201 (2008)
Control to change Z
Conventionalapproach
PW-SW conversion
High-efficiency, single-modePolarization conserved Controlling PW and SW
Capasso group @ Harvard, Science (2011) (also Shalaev)
Generalized Snell’s law
Two mechanisms to create perfect transmissions along two polarizations Nearly 100% efficiency, ultra-thin (wavelength / 20)
WJ Sun et. al, Opt. Lett., 36 927 (2011)
What happens then ?
负折射、平板棱镜 倒逆的多普勒效应 倒逆的切伦克夫辐射效应
因果关系+波矢平行分量守恒
超材料翻译
Naturematerials LETTERSPublished online : 18 APRIL 2010| DOI:10.1038/NMAT2747A single-layer wide-angle negative-index metamaterial at visible frequencies在可见光频率的一种单层广角负折射率超材料Metamaterials are materials with artificial electromagnetic properties defined by their sub-wavelength structure rather than their chemical composition.基于亚波长结构而非化学结构，超材料也叫人工电磁材料。
Negative-index materials(NIMs) are a special class of metamaterials characterized by an effective negative index that give rise to such unusual wave behavior as backwards phase propagation and negative refraction.负折射率材料（NIMs）是一类具有有效负折射率的特殊超材料，能够产生逆向传播和负折射的不同寻常的波行为。
These extraordinary properties lead to many interesting functions such as sub-diffraction imaging and invisibility cloaking.这些非凡的性能使得有有趣的功能，如子衍射成像和隐蔽伪装So far ,NIMs have been realized through layering of resonant structures,such as spilt-ring resonators ,and have been demonstrated at microwave to infrared frequencies over a narrow range of angles-of-incidence and polarization.到目前，负折射率材料（NIMs）已经通过谐振结构层实现，例如开环谐振器，而且在较窄范围的红外频率内的入射角和偏振也可以证明。
面向6G_的信息超材料和智能超表面通信与感知技术
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１１４．２０２４．０２．００１引用格式：李廉林，戴凌龙，崔铁军．面向６Ｇ的信息超材料和智能超表面通信与感知技术［Ｊ］．无线电通信技术，２０２４，５０（２）：２１９－２２３．［ＬＩＬｉａｎｌｉｎ，ＤＡＩＬｉｎｇｌｏｎｇ，ＣＵＩＴｉｅｊｕｎ．ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＳｅｎｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＢａｓｅｄｏｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅＴｏｗａｒｄｓ６Ｇ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２４，５０（２）：２１９－２２３．］面向６Ｇ的信息超材料和智能超表面通信与感知技术李廉林１，２，戴凌龙３，崔铁军２，４（１．北京大学电子学院，北京１００８７１；２．琶洲实验室（黄埔），广东广州５１０５５５；３．清华大学电子工程系，北京１０００８４；４．东南大学毫米波国家重点实验室，江苏南京２１００９６）摘 要：目前，信息超材料和智能超表面（ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅ，ＲＩＳ）已经在全球范围内受到了产业界与学术界的广泛关注，在５Ｇ和未来６Ｇ网络中具有重要机遇和应用前景。
针对信息超材料和智能超表面在６Ｇ时代通信和感知的需求，分析与阐述了基于信息超材料和ＲＩＳ的通信与感知理论、基本算法和系统设计，并对信息超材料和ＲＩＳ的进一步发展进行了展望。
关键词：５Ｇ／６Ｇ网络；信息超材料；智能超表面；通信；感知中图分类号：ＴＮ９２９．５ 文献标志码：Ａ 开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：文章编号：１００３－３１１４（２０２４）０２－０２１９－０５ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＳｅｎｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＢａｓｅｄｏｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅＴｏｗａｒｄｓ６ＧＬＩＬｉａｎｌｉｎ１，２，ＤＡＩＬｉｎｇｌｏｎｇ３，ＣＵＩＴｉｅｊｕｎ２，４（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７１，Ｃｈｉｎａ；２．ＰａｚｈｏｕＬａｂｏｒａｔｏｒｙ（Ｈｕａｎｇｐｕ），Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０５５５，Ｃｈｉｎａ；３．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ；４．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒＷａｖｅｓ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｕｒｆａｃｅ（ＲＩＳ）ｈａｖｅｒｅｃｅｉｖｅｄｗｉｄｅｓｐｒｅａｄａｔｔｅｎｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄａｃａｄｅｍｉａｗｏｒｌｄｗｉｄｅ，ａｎｄｈａｖｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｔｈｅ５Ｇａｎｄｆｕｔｕｒｅ６Ｇｎｅｔ ｗｏｒｋｓ．ＩｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｅｎｓｉｎｇｔｏｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＲＩＳｉｎｔｈｅ６Ｇｅｒａ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅａｎａｌｙｚｅｓａｎｄｅｌａｂｏｒａｔｅｓｏｎｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｅｎｓｉｎｇｔｈｅｏｒｉｅｓ，ｂａｓｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ａｎｄｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｔａ ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＲＩＳ，ａｎｄｌｏｏｋｓｆｏｒｗａｒｄｔｏｔｈｅｉｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：５Ｇ／６Ｇｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ；ＲＩＳ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ；ｓｅｎｓｉｎｇ收稿日期：２０２４－０１－０９基金项目：国家自然科学基金（６２２８８１０１）ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍ：ＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（６２２８８１０１）０ 引言《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和２０３５年远景目标纲要》明确提出前瞻布局６Ｇ网络技术储备的发展方向。
不同结构柔性电磁超材料吸波体的最新研究进展
不同结构柔性电磁超材料吸波体的最新研究进展作者：焦馨宇张富勇刘元军赵晓明来源：《现代纺织技术》2024年第06期DOI： 10.19398/j.att.202310021摘要：传统的电磁超材料通常具有刚性结构，其应用受到一定限制，无法满足当前市场需求，因此质轻、吸收强、吸收频带宽的柔性电磁超材料吸波体的开发利用成为重要的发展方向。
文章从柔性电磁超材料吸波体结构出发，概括了基于3层结构的柔性电磁超材料吸波体的最新研究，讨论了基于3层以上结构的柔性电磁超材料吸波体的研究现状，介绍了三维立体结构的柔性电磁超材料吸波体的研究进展，并展望了柔性电磁超材料吸波体未来的发展方向。
柔性电磁超材料吸波体在电磁波防护方面具有巨大的潜力，未来将在各个领域得到广泛应用。
关键词：超材料；吸波材料；柔性材料；电磁防护中图分类号：TS102. 4文献标志码：A文章编号：1009-265X（2024）06-0116-13收稿日期：20231026网络出版日期：20240227基金項目：中国工程院咨询研究项目（2021DFZD1）；天津市科技计划项目创新平台专项（17PTSYJC00150）作者简介：焦馨宇（1999—），女，内蒙古乌兰察布市人，硕士研究生，主要从事防护纺织品方面的研究。
通信作者：刘元军，E-mail：********************随着科学技术的进步，电磁波的应用在各个领域为人类的繁荣进步作出了不可替代的巨大贡献［1］。
但大量电磁波所产生的强烈的电磁辐射，会对人体和环境造成一定的危害；另外，军事设备所发射的电磁波信号可能引发信息泄露的风险［2］。
因此，人们对设备或人员进行电磁防护的需求日益迫切，各种吸波材料的研发方法成为当前研究的热点。
传统吸波材料存在吸收频带窄、柔性差等问题，因而其应用受到一定限制［3］。
超材料具有超常物理性能和人工复合结构。
超材料重要的应用之一是超材料吸波体。
研究人员通过较强的人工干预对超材料吸波体的周期性结构进行设计，可使其能够应用于不同电磁波频段［4］。
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柔性超表面和超材料：微、纳材料及其制备工艺Flexible metasurfaces and metamaterials: A review of materials and fabrication processes at micro- and nano-scalesSumeet Walia,Charan M. Shah,Philipp Gutruf,Hussein Nili, Dibakar Roy Chowdhury,Withawat Withayachumnankul,Madhu Bhaskaran, and Sharath Sriram 三碗译摘要：使用柔性基板的超材料具备可弯曲、拉伸、旋转的特性，这为电磁波的控制提供了新的方向，并且为新功能和设计的研发提供了依据。
本文综述了基于柔性可塑基板的THz、可见光频段的超材料及其加工技术，并且提及了设备的调谐方法。
在论述加工工艺及处理技术之后，文章中给读者总结出了适合柔性超材料基板的电磁和机械特性，并提到了用于实现超材料可调谐性的新方法。
把超材料变成可实际应用的设备已是大势所趋。
引言：超材料是一种亚波长工程结构的电磁材料，通过特殊设计，它可以展示出入射电磁波电磁的耦合。
这让超材料具备了一些特性，比如异常反射及折射、完美吸波和亚波长聚焦等。
但是，由于缺少稳定可靠的调谐技术，超材料广泛应用的脚步被长期的制约着。
可协调性可以通过操作控制材料和入射波的交互作用来得到，以此来达到所需的波的传播、反射及吸收。
尽管超材料设计的几何可测性给了超材料过去几十年的辉煌，如果所使用的材料是柔性的，对于t Hz方面的应用，如隐身、传感、超透镜（一种拥有在衍射极限下分辨率的透镜）、芯片上光子及光电子器件、完美吸波器和能量收集可以得到很好的改善。
柔性器件依赖于较低的表面能量复合材料而实现，如聚二甲基硅氧烷橡胶，它可以粘附在一些等角的表面以便组合到弯曲的表面、表皮或者包装材料上面，而不仅仅是用在坚硬平整的面上。
超材料的柔性表现可以使它来做有轻量透明要求的物体的包装。
同样的，超材料的应用打开了一个新的篇章，如遥感技术、可调光学频率谐振器等。
柔性也可以用来获得可调的超材料，这与材料基片特性紧密相关。
另外，功能超材料与合适基片的结合，有望把t Hz阶超材料从二维设计带到三维结构上去。
拥有柔性、可塑形基片的超材料也可以用在不平整的表面上。
如何有效拓展超材料这一优势，基片介电常数是关键。
同时，超材料的这种结构可以调谐及加强波的传输或反射响应。
同样地，将传统的微纳技术应用在这种柔性可塑形基片上也展现出很大的突破：造出了可以轻松放进人体的传感器、覆盖不平整表面的隐身层、负指数材料、生物分子传感器、等离子设备和吸波器。
关于这个主题的近期综述突出了超材料重要意义的发展潜力和合成技术的发展态势。
刘等研究人员所发表的一篇关于亚波长超材料综述了亚波长可调谐超材料，它的可调谐性由机械形变和晶格位移而产生。
同时，另外的文章也综述了基于近场耦合和非线性原理的应用的可调谐性。
另外还有很好的文章包含了别的方面，如：设计、激励、超材料的机械形变以及可调谐能力的存在。
然而，据我们所知，并没有一篇全面综述了柔性超材料基片特性、加工及调谐科技的文章。
本文论述了使用柔性可塑形基片来调谐超材料的谐振频率，批判地比较了各种应用了柔性基片和复合材料材料的电磁及机械特性，评估了包含近期3D方法在内的柔性超材料的精确制造技术。
最后，展望未来，引出基于弹性材料的应用：调谐的可逆性。
超材料中的柔性基片柔性基片给探索由机械形变引起的超材料特性提供了理想的平台。
柔性材料在超材料中的应用所展示出的新功能引起了世界范围的关注。
这种弹性基片之所以引起人们特别的兴趣在于它的可以通过机械形变而得到很大范围的频率调谐的特性，因此可以摒弃传统上为达到同样目的所需的外部激励和偏压。
用在弹性基片上的共鸣器结构展示出对结构因子很高的敏感度，它可以对很小的尺寸改变而很容易做出响应。
这种机械调谐超材料已被证实应用在了无线传感装置、生物分子传感装置及吸波器上。
在超材料中普遍应用的弹性基片是聚二甲基硅氧烷橡胶和聚酰亚胺，主要是因为它们在柔性电子方面的广泛应用。
还有一些其他的柔性基片如Metaflex （使物体在较长波长中隐身）、聚乙烯萘、聚对苯二甲酸乙二醇脂、聚甲基丙烯酸甲脂和聚苯乙烯。
电磁特性尽管超材料的电磁特性继承于亚波长谐振器的设计，但这也不排除超材料的成分对其的影响。
为了优化超材料的电磁特性，基片的选取以以下要素为基准：1，低介电常数，用来维持谐振强度，形成宽带超材料；2，低吸收（吸收系数），使透过或沿着基片传播的波强度最大化。
选用低的折射率可以减小基片上的反射损失。
折射率n 和介电常数ε有着密切的联系：ε=n 。
一些常用复合材料基片的重要电磁特性展示在表1里面。
工艺和机械特性复合材料可以提供广泛的可选特性来制备合适的、大面积的、低价的柔性超材料。
各种各样的复合物基片被研究用来满足各种微波频率的弹性超材料的设计。
通过旋转涂层、热处理、微加工技术等方法，这些弹性复合材料可以很轻易的加工出来，从而用于超材料基片的选择。
微纳加工技术如光刻（接触式、可见光、软光刻和掩模光刻）、激光刻印、制模、铸造和转印都被证实已经用在基于复合材料的超材料中了，关于这一方面我们将在后面做更详细的讨论。
基片的机械特性（其杨氏模量为基准）对于确定它们在可机械调谐超材料的发展中的活性十分的关键。
具有较低杨氏模量的基片可以承受更大的机械形变，具有很好的可逆性及可重复性，因此可以承担更基础的调制及更高要求的谐振模式。
然而，制造工艺对于柔性基板的选择有着特殊的要求。
这些要求中包含了高温沉积和退火的需求以及需要满足在高度平坦表面来进行光刻或者类似的刻图技术。
表1中列出了一些对于超材料常用的复合材料基板的机械特性。
基于实践应用和工作频率的机制，具有低吸收系数和期望的机械特性的柔性基板将会担当重任。
超材料制造工艺中的复合材料在多种复合材料被利用的同时，有三种复合材料由于它们本身的特性而特别的受研究者的欢迎。
这一部分我们将讨论这几种材料的主要特性及其限制。
聚二甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷是一种弹性聚合物，有其独特的属性如低能表面、生物相容性以及良好的韧性和弹性。
通常它的工作温度在-50到200摄氏度。
作为一种柔软的柔性复合材料，聚二甲基硅氧烷可以很容易的与非平整表面结合，并且具有很高的一致性。
它对传统的和像软光刻和压印这样的先进的微纳加工技术的兼容性更加的突出了它的优势。
聚二甲基硅氧烷的比较低的杨氏模量（7.5*10-4GPa ）和低的吸收率（13cm -1//1 THz ）的特性让它成为了一种很适合柔性、可调谐超材料的基片。
它的高弹性的特性（最多达120%可逆的拉伸）使其成为实现超材料机械调谐的可行的一种基片。
它独有的特性和比较宽波段的透明性让它可以满足超材料对宽带宽的应用。
它的低能表面这一特性已经被用在有效的传输透明氧化物如氧化铟锡和氧化锌，它们展现出在很好的稳定性并且在氧化型可调谐超材料器件方面具有很好的潜质。
在聚二甲基硅氧烷上压印结构材料的可能性为多层、3D超材料设计开辟了巨大机会，这一应用可以用来设计更加复杂的谐振装置。
聚二甲基硅氧烷具有很高的热膨胀系数（TEC）3.1*10-4/o C，这可以通过沉积金属薄膜而确定谐振器或者波导是弯曲还是表面微皱。
这种问题可以通过在沉积过程中精确控制样品温度或者对封装加同等的压力来改善。
最近的一篇文章预测，这种自有序模式而在聚二甲基硅氧烷上形成的曲面金属膜将会在光学和应变分析设备中实现应用。
除去聚二甲基硅氧烷的一些可取的特性，它同样也遭受着对温度高灵敏特性（由于太大的TCE）的侵害，或许微小的温度变化就会引起超材料几何形状的改变。
另外，当铺光刻胶时，聚二甲基硅氧烷的疏水特性会导致光条纹的出现，这就需要额外的处理（如等离子表面激活）来完成微工艺制备，特别是对于多层结构。
聚酰亚胺聚酰亚胺（得名于其商业特性聚酰亚胺薄膜）是一种在电子设备方面应用很普遍的柔性基板，比如柔性太阳能电池、内部连线和超材料。
它们可以使超材料具备柔性、独立性的特点，工作在THz频率区间，具有很高的负折射率，且在双波段处实现近完美吸收。
聚酰亚胺的杨氏模量为2.5GPa（见表1），符合微加工技术的标准，它在制作柔性超材料方面的潜质源于其对金属表面很强的附着性，这种附着性也为其提供了很高的应变位移度。
通常聚酰亚胺的使用温度在-269o C到400o C，有很高的玻璃转化温度（见表1），这也让它可以接受金属在高温下的物理沉积技术，包括溅射技术、电子束蒸发沉积和脉冲沉积技术。
另外，它本身具有较低的导热率，由此，即使是在很高的温度下，它也能和金属或氧化物具有很高的一致性。
它对光刻胶有着强的粘附性，且在刻蚀金属薄膜时候可以抗酸的腐蚀，这种特性让它可以用于传统微加工技术制造THz超材料来提高图案刻印分辨率。
然而，基于杨氏模量，它的弹性系数比较低（小于4%），这也限制了THz超材料的可调谐性，通过机械变形也可以略作改善。
只有在高温（~400o C）下聚酰亚胺才能与聚合物基体交联，这就给某些材料带来了复杂的因素。
聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）聚对苯二甲酸乙二醇脂是另一种已经被开发的柔性基板，它被用来做RFID的膜、LCD的显示器表层和电容式触摸传感器阵列。
聚对苯二甲酸乙二醇脂具有较高的介电常数（2.86）、较宽的使用温度范围（-80o C到180o C）、较高的玻璃转化温度（78 o C）低的热膨胀系数、对光刻胶和金属有强的附着力，这些特性让它成为了制造柔性超材料的很好的选择（见表1）。
PET薄膜在可见光范围是平面透明的，在THz范围它的电磁特性和PDMS及聚酰亚胺很相似。
上述特性可见PET具有PDMS 和聚酰亚胺的共同属性，但是并没有它们所具有的局限性。
然而，PET的成本很高且易受到剪切热的影响。
总的来说，PET已经研究用来制造可以在近红外频谱使用的柔性结构，并且它是通过机械形变来调节的。
制造工艺超材料的加工技术已经达到了很高的水准，可以在非常规基板上做微纳尺度的加工。
高分辨率纳米加工方法的出现比如纳米光刻技术已经可以一次性使纳米图案刻在一个大范围的柔性基板上面，并且这促成了非常规超材料及光子系统的出现。
随着对柔性材料上金属、电解质等硬质材料的深入理解，以及科技的进步，在多科学领域的交叉中实现了纳米尺寸在柔性延展设备上的使用。
这种多学科技术在快速的综合发展，使那种可以实现宽的频谱可调谐的柔性超材料得以制造出来。
这些技术使得电磁设备得到新的发展，也引发了感测领域中科学技术的更新。
在图1中展示的就是一个典型的例子，它就是使用微细加工原理所制造的在THz频率工作的超材料。