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“超材料(metamaterials)”:超越天然材料的自然极限(6)

已有 13774 次阅读 2007-9-14 12:15 |个人分类:材料科学

 六、“超材料”中的材料科学与技术

        从metamaterial的定义中可以看出,超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。因此,早期的“超材料”研究与材料科学无缘。无论是左手材料还是光子晶体,最早开展研究的都是物理学家,而此后由于可能的应用,一些电子科学家进入了这一领域。而材料学家进入这一领域还是近几年的事情。

        作为世界上较早进入“超材料”领域的材料研究小组之一,本课题组一直致力于将具有特殊性质和功能的材料系统引入超材料结构,以获得具有更优异的性质或特殊功能的新型“超材料”系统。

        事实上,要获得理想的“超材料”,“材料”的选择是至关重要的。对于光子晶体材料,人们在实验上长期追求的目标是实现光频段的完全光子带隙。然而,要实现这一目标,在材料中有足够大的介电常数(折射率)的反差。一般的思路是寻找介电常数尽可能高的介质材料,以获得和空气(真空)尽可能大的介电反差。但遗憾的是,现有的材料中难以找到具有足够高在光频下具有足够高介电常数的材料。1999年,我们材料科学的考虑和“逆向思维”的方法,提出了利用超低介电常数材料(即金属)作为光子晶体介电背景的设想。根据已有的理论,金属材料在其等离子体共振频率下介电常数为零。而在等离子体共振频率附近,其介电常数接近于零。为此我们选择了银作为介电背景,银在可见光范围的折射率在0.2-0.4左右,且有很好的透光性。我们利用化学过程将银引入到聚乙烯微球晶体,结果获得了具有接近完全带隙的光子晶体。当然金属结构与光的相互作用还包括表面等离子体与光的耦合作用,这是我们当初设计从来时所没有考虑的。但我们的工作给了同行以一定的启发,后来很多人在金属基光子晶体的理论和实验上开展了大量的研究工作。金属基光子晶体作为在光频上获得光子带隙的重要选择已成为一种共识。

        本课题组在这个方面开展的另一项工作是将铁电体引入了光子晶体,发展出了一种很有应用价值的可调带隙光子晶体。可调带隙光子晶体是近年来光子晶体研究领域的一个重要前沿,被认为是未来光子带隙结构器件走向实用化的主要突破口。2000年,我们在国际上首次提出了基于铁电相变的可调带隙光子晶体的基本设计思想并报道了一个演示性的实验结果。2003年,课题组首次报道了PLZT反蛋白石光子晶体在电场作用下的光子带隙移动,从而为实现具有实用价值的电场调制铁电体基光子晶体提供了直接的实验依据。与前两类可调带隙光子晶体相比较,铁电体基光子晶体具有一些独特的优点:(1)无机铁电体基材料具有前两类材料所不具备的“全固态化”特征,更易于制造成器件并与现有的光电子技术相兼容;(2)无机铁电体通常在各类频率下具有很高的介电常数,以其构造的光子带隙结构更容易形成完全带隙;(3)铁电体同时具有更多的调制因素,电场、温场、应力场等均可诱导出铁电相变而使其介电常数发生变化,因此铁电体基光子晶体具有更多的光子带隙调制方式。因此,铁电体基光子晶体提供了一种较接近实用化的选择。最近,日本东京大学和富士通公司推出的国际上首例可实用的二维可调带隙光子晶体,就是在申请者提出的铁电基光子晶体的基础上实现的。

        本课题组也还将具有发光性质的材料引入到光子带隙,试图通过研究材料在光子带隙调制下的发光行为,从实验上找到光子带隙对材料自发辐射行为的调制,同时发展一些可能有应用价值的新型光子带隙结构。例如,我们提出了利用了发光材料中的因晶格驰豫引起的斯托克斯位移效应(即由于电子在基态和激发态之间的晶格驰豫所导致的激发能级差高于辐射能级差的效应)和完全带隙结构实现低阈值全光逻辑元件的模型。在该模型中,利用一种三能级发光中心结构,其中电子从第一激发台向基态辐射跃迁的光子能量刚好落在光子带隙内,而由于斯托克斯位移,其基态向激发态跃迁的能量不在光子带隙内。如果这样的情况存在,被激发到激发态上的光子将不能通过辐射跃迁回到基态,形成了除基态外的第二个“稳态”。如果在第一激发态能级之上还有更高的能级(第二激发态),而第一激发态和第二激发态的能级差小于基态和第一激发态之间的能级差,则可以通过利用一种能量低一些的光将第一激发态上的电子激发到第二激发态,电子再从第二激发态通过辐射跃迁回到基态。这样的一种模型给出了具有两种稳定状态的系统,而这两种状态可以通过两种不同的波长的光加以“开光”,因此是一种逻辑系统,可以用来实现一种全光逻辑器件。其阈值将比基于光学非线性实现的全光逻辑器件低得多。

        由此可见,利用材料科学的原理,把各种功能材料引入“超材料”系统,有可能获得具有新功能的超材料或器件。

        在把功能材料引入超材料系统的同时,本课题组也致力于将先进的材料技术用于超材料的设计与制备。如我们成功利用了低温共烧陶瓷技术(LTCC)技术制备出了具有紧凑结构的单片集成左手材料。LTCC技术是在多层陶瓷技术的基础上发展起来的无源电子元件集成的一个重要手段。我们利用了“反传输线”的负电磁参数响应原理原理,利用LTCC所提供的在多层结构电感与电容技术,在陶瓷基板上制造出了由反传输线结构单元构成的二维阵列。微波测试表明,该材料在一定频率下呈现出负折射率。

        随着人们对左手材料的研究兴趣越来越多的转向可见光波段,对材料技术的依赖也越来越强。目前,纳米技术更成为超材料制备的重要手段。



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