什么是超材料？類型及應用介紹

1.超材料

超材料(metamaterial)是一種新型人工電磁材料的總稱，其包括尺寸和間距遠小于工作波長的金屬或介質周期結構。近年來，超材料已成為科學技術的研究前沿之一。超材料具有天然材料所不具備的超常物理性質，其物理性質不取決于其組成材料本身，而是由單元結構所決定。超材料對物理場具有超強操控能力，因此可以突破傳統材料的物理極限，實現諸多新穎功能和重要應用。

2.常見的超材料及應用

(1)光子晶體

光子晶體由周期性介質、金屬電介質甚至超導體微結構或納米結構組成。與半導體晶體中的周期性電勢影響電子傳播的方式相同，光子晶體的周期性也能夠影響電磁波傳播的方式，存在電子的導帶和禁帶。能帶結構決定了光子晶體的色散特性，不同頻率的波在光子晶體中有不同的傳播特性。與左手特性超材料一樣，光子晶體也能夠通過材料的周期排布實現負折射率特性。光子晶體代表了另一類超材料，具有傳統介質所沒有的電磁特性。光子晶體由于其特殊的物理特性，在許多領域都有廣泛的應用，例如光子晶體光纖、光子晶體透鏡和基于光子晶體的激光器等等。

(2) 雙曲超材料

超材料是人工亞波長結構的介質，表現出不尋常的光學特性。雙曲超材料是一種特殊的表面等離子激元超材料，其具有雙曲型色散和高度各向異性的特點。由其等效電和(或)磁張量決定，磁導率(ε)或介電常數(μ)張量的一個方向與其他兩個方向的符號相反。根據平行和垂直于各向異性軸分量的符號可以把雙曲材料分為Ⅰ類雙曲材料和Ⅱ類雙曲材料。

最近，雙曲超材料已成為一個研究的熱點。研究方向包括自發輻射增強、熱傳輸和聲學等領域的應用。

(3)石墨烯超材料

2004年，《科學》雜志發表了英國曼徹斯特大學的 Novoselov 和 Geim 研究小組的報告，他們通過用膠帶反復剝離石墨獲得了原子級厚度的二維石墨烯，這引發了科學界的強烈反響。石墨烯是一種具有蜂窩狀結構的二維材料，單層石墨烯的厚度僅約為 0.34 納米。它具有優良的電學、光學、力學和熱性能。其楊氏模量約為 0.9 TPa ~ 1.1 TPa，固有強度為 120 GPa ~ 140 GPa，力學強度高于金剛石;在可見光和 IR 波段的透光率極高，一層石墨烯對于入射白光的吸收率只有 2.3%;石墨烯的導電性很好，石墨烯中的電子費米速度約為光速的 1/300，載流子運動速度非?？?，高于其他半導體材料，可用于制造高速電子器件。由于這些優異的性能，石墨烯具有非常好的應用前景。

以上梳理了超材料的定義、類型及應用，希望對你有所幫助，如果你想了解更多相關內容，敬請關注三個皮匠報告的行業知識欄目。

推薦閱讀：

中國移動：6G信息超材料技術白皮書(2022)(28頁).pdf

什么是釹鐵硼材料?分類有哪些?應用一覽

什么是碳基材料?分類有哪些?