什么是超材料？类型及应用介绍

1.超材料

超材料(metamaterial)是一种新型人工电磁材料的总称，其包括尺寸和间距远小于工作波长的金属或介质周期结构。近年来，超材料已成为科学技术的研究前沿之一。超材料具有天然材料所不具备的超常物理性质，其物理性质不取决于其组成材料本身，而是由单元结构所决定。超材料对物理场具有超强操控能力，因此可以突破传统材料的物理极限，实现诸多新颖功能和重要应用。

2.常见的超材料及应用

(1)光子晶体

光子晶体由周期性介质、金属电介质甚至超导体微结构或纳米结构组成。与半导体晶体中的周期性电势影响电子传播的方式相同，光子晶体的周期性也能够影响电磁波传播的方式，存在电子的导带和禁带。能带结构决定了光子晶体的色散特性，不同频率的波在光子晶体中有不同的传播特性。与左手特性超材料一样，光子晶体也能够通过材料的周期排布实现负折射率特性。光子晶体代表了另一类超材料，具有传统介质所没有的电磁特性。光子晶体由于其特殊的物理特性，在许多领域都有广泛的应用，例如光子晶体光纤、光子晶体透镜和基于光子晶体的激光器等等。

(2) 双曲超材料

超材料是人工亚波长结构的介质，表现出不寻常的光学特性。双曲超材料是一种特殊的表面等离子激元超材料，其具有双曲型色散和高度各向异性的特点。由其等效电和(或)磁张量决定，磁导率(ε)或介电常数(μ)张量的一个方向与其他两个方向的符号相反。根据平行和垂直于各向异性轴分量的符号可以把双曲材料分为Ⅰ类双曲材料和Ⅱ类双曲材料。

最近，双曲超材料已成为一个研究的热点。研究方向包括自发辐射增强、热传输和声学等领域的应用。

(3)石墨烯超材料

2004年，《科学》杂志发表了英国曼彻斯特大学的 Novoselov 和 Geim 研究小组的报告，他们通过用胶带反复剥离石墨获得了原子级厚度的二维石墨烯，这引发了科学界的强烈反响。石墨烯是一种具有蜂窝状结构的二维材料，单层石墨烯的厚度仅约为 0.34 纳米。它具有优良的电学、光学、力学和热性能。其杨氏模量约为 0.9 TPa ~ 1.1 TPa，固有强度为 120 GPa ~ 140 GPa，力学强度高于金刚石;在可见光和 IR 波段的透光率极高，一层石墨烯对于入射白光的吸收率只有 2.3%;石墨烯的导电性很好，石墨烯中的电子费米速度约为光速的 1/300，载流子运动速度非常快，高于其他半导体材料，可用于制造高速电子器件。由于这些优异的性能，石墨烯具有非常好的应用前景。

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