2024年2月24日发(作者：谯杨柳)
左手材料研究进展及其应用前景
工信部电子科学技术情报研究所 黄庆红
1 概述
左手材料（Left- Handed Metamaterial，LHM）是一种介电常数（ε）和磁导率（μ）均为负的人工周期材料，由于其具有反常的多普勒（Doppler）效应 、反常的切连科夫（Cherenkov）效应、理想透镜以及负折射效应等特性，成为应用物理、光学以及材料等领域的研究热点。由于左手材料的介电常数和磁导率都是负数，所以也称之为“双负介质材料”，通常被称为“负折射系数材料”。特异材料[1]（Metamaterial）是左手材料的另一个名称，它的目标是利用人造构成要素替代原子及分子、以类似结晶的结构规律来形成新的传输介质。
介电常数和磁导率是描述物质电磁性质的基本物理量，决定着电磁波在物质中的传播特性。自然界中，所有已知电介质的介电常数ε和磁导率μ都为正值。入射电磁波的电场、磁场和波矢三者构成右手关系，这样的物质被称为右手材料。通常在自然界见到的都是右手材料，右手规则一直被认为是物质世界的常规。但是，在左手材料中，电磁波的电场、磁场和波矢却构成左手关系。由于自然界中不存在ε和μ同时小于零的物质，可以通过人工分别设计负介电常数材料和负磁导率材料，将两种材料组合起来从而实现左手材料。也可以通过单一结构同时实现“双负”，同一结构同时出现负介电常数和负磁导率的前提是其在某一频率范围内应同时出现磁谐振和电谐振。
2 左手材料研发进程
2.1 左手材料的概念起源于理论研究
1967年，前苏联物理学家Veselago发表论文，首次报道了在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料。电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等。材料世界从此翻开新的一页。
在这一具有颠覆性的概念被提出后的三十年里，在自然界并未发现实际的左手材料。直到将近新世纪时才出现转机。20 世纪90 年代，英国科学家Pendry等人受到光子晶体研究的启发，提出了分别实现负介电常数和负磁导率介质的理论模型，重新开启了该领域的研究。Pendry 研究发现周期性排列的导电金属线对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为
极为相似，通过此种方法获得介电常数ε为负的材料，从此人们开始对这种材料投入研究兴趣。周期排列的金属线结构如图1所示。 2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手材料存在的合理性，并称这种人工介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美透镜”、用于电磁波隐身等。
图1 周期排列的金属线结构
2.2 新世纪初左手材料问世引起瞩目
2000
年，美国Smith 等首次利用开口谐振环（SRR）和电谐振器（如开口金属线）组成的阵列实现了“双负”材料。 2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的左手材料。美国衣阿华州立大学（Iowa State University）的S. Foteinopoulou发表了利用光子晶体做为介质的左手物质理论仿真结果。美国麻省理工学院的u和在《自然》杂志发表文章，描述了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果。左手材料的研制进入了美国《科学》杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。
2004年，国际学术界开始出现中国科学家的身影。复旦大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与设计，利用水的表面波散射成功实现了左手介质超平面成像实验，论文发表于著名的《美国物理评论》杂志上，引起学术界的高度关注。
2004年，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所宣布用左手材料研制成功一种具有超级分辨率的镜片，这种镜片可以构成不会丢失信息、将所有能量完全复制到成像点的完美透镜（Perfect Lens）。其原理是左手介质中能流方向和波矢方向相反，左手介质中倏逝波表现为指数增强场，相当于透镜对波进行了放大。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线在电磁波频谱紧邻无线电波。两国科学家的研究成果被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最具影响的研究进展。
2005年，美国印第安那州普渡大学首次成功开发了波长1.5 μm的红外线区域呈现负折射率的人造介质左手性特异材料 [1]。波长为1.5 μm的红外线在光通信领域已被广泛采用。
在光通信控制技术方面，此前的研究热点是硅微细线光导波路及光子结晶，而此次LHMs的开发成功，则提供了一种全新的光控方法。
2008年，德国斯图加特大学Liu 等制备了多层的U形金纳米环结构，分别在120 THz和200 THz附近实现了负的介电常数和负的磁导率。利用双模板辅助化学电沉积法制备了周期性排列的金属银树枝阵列， 发现其在红外波段具有很强的透射通带，并且在对应频率表现出明显的平板聚焦效应，得到了红外波段的左手材料。这是首次利用化学方法制备左手材料，对左手材料的发展起到了巨大推动作用。同年美国加州大学伯克利分校Valentine 等用多层鱼网结构第一次在红外波段实现三维的LHM ，并通过棱镜折射实验验证了其负折射行为。但是，由于LHM的结构单元远小于波长，目前的刻蚀工艺已经严重制约了光波段LHM的进一步发展。
2.3 国内研制单一结构同时实现“双负”
利用SRR环和开口金属线组成阵列分别实现负磁导率和负介电常数，这种组阵方式的复杂性增加了制作难度。能否通过单一结构同时实现“双负”？国内研究者进行了尝试。已经报道的有浙江大学的“S”形
，复旦大学的“工”形
，西北工业大学的“H”形等。2008年6月，西安交通大学采用一种“巨”字形结构[3]，利用丝网印刷在氧化铝基板上进行加工制作，获得同时具有磁谐振和电谐振结构组成的左手材料。这种单一结构制作方便，双负频段较宽。通过模拟与测试，单一结构中能同时出现电谐振和磁谐振，并且由于谐振负区的重合而形成“双负”区域。采用丝网印刷制作的“巨”字结构样品如图2所示。
[2]
图2 氧化铝底板测试样品
2008年8月，西北工业大学理学院赵晓鹏研究组在红外波段左手材料制备方面的研究取得新进展。采用双模板辅助化学电沉积制备金属银树枝状结构阵列，制备出大面积（平方厘米级）红外左手材料。2009年9月，赵晓鹏研究组制备出蓝光波段左手材料。采用双模板辅助化学电沉积法，以聚苯乙烯小球为初级模板，二维ZnO 有序多孔薄膜为二级模板，[5][4]
制备了银树枝状结构阵列，同时还研究了沉积电压对ZnO 有序多孔薄膜质量和银树枝形貌的影响。在最佳条件下制备了大面积（2cm）银树枝状结构的周期性阵列，可见光透射峰的出现和聚焦实验证实制备的银树枝状结构阵列在蓝光波段480 nm 处实现了左手效应。
23 左手材料得到广泛应用
3.1 天线覆层可提高天线定向性
空间通信与微波武器等领域对天线的要求日益提高， 左手材料用在天线上具有独特优势，可以提高天线定向性，以确保通信的保密性和高效性。浙江大学在微带贴片天线上覆盖左手材料，此覆层将类似凸透镜把点源发散光聚集成平行光，显著地改善贴片天线的方向性。天线覆层使工作在2.6 GHz的贴片天线方向性由7.7 dB提高到16.8 dB。2009年，国防科技大学采用平面左手材料制备Ku波段新型左手材料天线罩。实验证明加入左手材料平面天线罩后，天线的波束得到汇聚，同时增益提高了5 dB左右。2009年10月，韩国LG电子[7]在最新款手机LG BL40的天线部分采用了美国Rayspan公司的左手材料，可以在不降低增益等特性时实现小型化。
3.2 减少手机辐射对人体伤害[8]
同济大学物理实验室制造出新型左手材料开口环状谐振器（SRR），用它制成定向天线，通过人造结构控制电磁波传播方向，可以智能寻找附近的基站，只向该基站方向发射信号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向传播，从而避免电磁波对手机使用者造成辐射伤害。
3.3 隐身技术
南京大学在研究中发现将左手材料覆盖在金属棒或金属球外面，在特定的实验条件下，电磁波经过它时，并没有发生通常出现的“反射”现象。这预示着利用左手材料有可能使某些金属结构对电磁波产生“隐身”效果，左手材料可望用于隐身技术。
3.4 屏蔽技术
电子科技大学利用左手媒质设计了微波空间滤波器，其滤波特性有很好的矩形度，带外隔离度非常大，是用普通媒质设计的滤波器无法比拟的。左手媒质微波空间滤波器的优良特性在军事上有广泛的应用前景，例如军用飞机的雷达罩、微波天线防干扰和防微波高能武器的屏蔽罩等。
3.5 小型化微波部件
用左手材料制作的微波部件可显著减小体积。一种左手复合传输线双模带阻滤波器，中心频率1.12 GHz，尺寸11 mm×50 mm，是普通滤波器尺寸的1/5。
[6]
4 左手材料应用展望
对左手材料的研究已从微波发展到太赫兹以及光波段。微波段左手材料广泛应用于微波器件，如微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、宽带相移器、微带巴伦功分器、谐振器、移相器和天线等。这些器件应用于各种武器装备，可以提高其性能。左手材料在天线上的应用很有吸引力，因为高灵敏度和方向性好的天线在军事武器上应用很广，比如雷达、战斗机、GPS导航系统等。利用左手材料中电磁波的反切仑科夫辐射，可以制备后向波辐射天线。红外波段磁响应的实现可应用于生物安全成像、生物分子指纹识别、遥感、恶劣天气条件下的导航、微型谐振腔等。可见光波段左手材料可以制作能突破衍射极限的透镜，可应用于超灵敏单分子探测器，探测各种深埋于地下的武器。
左手材料还可用于通讯系统，制造更小的移动电话，在未来的无线通信中起到不可忽视的作用。左手材料有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，制作出存储容量比现有DVD 高几个数量级的新型光学存储系统。左手材料研究领域已越来越受到各国科研人员重视。随着科学家们的不断探索，人们将制造出更加丰富多样的左手材料，将在空间技术、武器装备、卫星有效载荷、遥感探测等领域得到更加广泛的应用，有力地促进我国国防事业的发展。
参考文献
[1] 全球首例面向红外线的“左手材料”将成为光通信领域的新旗手（OL）.
2005-12-22
[2] Liu N，Guo H C，Fu L W，et al. Three-dimensional photonic metamaterials at optical frequencies（J）. Nature
Mater，2008，7:31
[3] 杨一鸣，屈绍波，王甲富. 由同时具有磁谐振和电谐振结构组成的左手材料（J）.物理学报，2009，58（2）：1031~1035
[4] Liu H，Zhao X P，Yang Y，et al. Fabrication of infrared left-handed metamaterals via double template-assisted
electrochemical deposition（J）.Adv Mater，2008，20:2050
[5] 李庆武，相建凯，赵延. 蓝光波段左手材料的化学制备方法（J）.材料导报，2009，23（9）：8~10，21
[6] 吴微微，黄敬健，胡俊伟. Ku波段新型左手材料平面天线罩（J）.宇航学报，2009，30（5）：1953~1956
[7] 野泽，哲生. LG电子在手机上采用左手材料天线（OL）. 2009-10-20
[8] 周晓明. 左手材料SRR在手机辐射防护中的作用（J）.华南理工大学学报（自然科学版），2009，37[9]
（7）：135~137，146
[9] 姜弢，刘福平，朱梦渝. 左手材料在武器装备系统中的应用（J）. 装备环境工程，2010，7（1）：44~49
2024年2月24日发(作者：谯杨柳)
左手材料研究进展及其应用前景
工信部电子科学技术情报研究所 黄庆红
1 概述
左手材料（Left- Handed Metamaterial，LHM）是一种介电常数（ε）和磁导率（μ）均为负的人工周期材料，由于其具有反常的多普勒（Doppler）效应 、反常的切连科夫（Cherenkov）效应、理想透镜以及负折射效应等特性，成为应用物理、光学以及材料等领域的研究热点。由于左手材料的介电常数和磁导率都是负数，所以也称之为“双负介质材料”，通常被称为“负折射系数材料”。特异材料[1]（Metamaterial）是左手材料的另一个名称，它的目标是利用人造构成要素替代原子及分子、以类似结晶的结构规律来形成新的传输介质。
介电常数和磁导率是描述物质电磁性质的基本物理量，决定着电磁波在物质中的传播特性。自然界中，所有已知电介质的介电常数ε和磁导率μ都为正值。入射电磁波的电场、磁场和波矢三者构成右手关系，这样的物质被称为右手材料。通常在自然界见到的都是右手材料，右手规则一直被认为是物质世界的常规。但是，在左手材料中，电磁波的电场、磁场和波矢却构成左手关系。由于自然界中不存在ε和μ同时小于零的物质，可以通过人工分别设计负介电常数材料和负磁导率材料，将两种材料组合起来从而实现左手材料。也可以通过单一结构同时实现“双负”，同一结构同时出现负介电常数和负磁导率的前提是其在某一频率范围内应同时出现磁谐振和电谐振。
2 左手材料研发进程
2.1 左手材料的概念起源于理论研究
1967年，前苏联物理学家Veselago发表论文，首次报道了在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料。电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等。材料世界从此翻开新的一页。
在这一具有颠覆性的概念被提出后的三十年里，在自然界并未发现实际的左手材料。直到将近新世纪时才出现转机。20 世纪90 年代，英国科学家Pendry等人受到光子晶体研究的启发，提出了分别实现负介电常数和负磁导率介质的理论模型，重新开启了该领域的研究。Pendry 研究发现周期性排列的导电金属线对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为
极为相似，通过此种方法获得介电常数ε为负的材料，从此人们开始对这种材料投入研究兴趣。周期排列的金属线结构如图1所示。 2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手材料存在的合理性，并称这种人工介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美透镜”、用于电磁波隐身等。
图1 周期排列的金属线结构
2.2 新世纪初左手材料问世引起瞩目
2000
年，美国Smith 等首次利用开口谐振环（SRR）和电谐振器（如开口金属线）组成的阵列实现了“双负”材料。 2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的左手材料。美国衣阿华州立大学（Iowa State University）的S. Foteinopoulou发表了利用光子晶体做为介质的左手物质理论仿真结果。美国麻省理工学院的u和在《自然》杂志发表文章，描述了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果。左手材料的研制进入了美国《科学》杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。
2004年，国际学术界开始出现中国科学家的身影。复旦大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与设计，利用水的表面波散射成功实现了左手介质超平面成像实验，论文发表于著名的《美国物理评论》杂志上，引起学术界的高度关注。
2004年，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所宣布用左手材料研制成功一种具有超级分辨率的镜片，这种镜片可以构成不会丢失信息、将所有能量完全复制到成像点的完美透镜（Perfect Lens）。其原理是左手介质中能流方向和波矢方向相反，左手介质中倏逝波表现为指数增强场，相当于透镜对波进行了放大。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线在电磁波频谱紧邻无线电波。两国科学家的研究成果被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最具影响的研究进展。
2005年，美国印第安那州普渡大学首次成功开发了波长1.5 μm的红外线区域呈现负折射率的人造介质左手性特异材料 [1]。波长为1.5 μm的红外线在光通信领域已被广泛采用。
在光通信控制技术方面，此前的研究热点是硅微细线光导波路及光子结晶，而此次LHMs的开发成功，则提供了一种全新的光控方法。
2008年，德国斯图加特大学Liu 等制备了多层的U形金纳米环结构，分别在120 THz和200 THz附近实现了负的介电常数和负的磁导率。利用双模板辅助化学电沉积法制备了周期性排列的金属银树枝阵列， 发现其在红外波段具有很强的透射通带，并且在对应频率表现出明显的平板聚焦效应，得到了红外波段的左手材料。这是首次利用化学方法制备左手材料，对左手材料的发展起到了巨大推动作用。同年美国加州大学伯克利分校Valentine 等用多层鱼网结构第一次在红外波段实现三维的LHM ，并通过棱镜折射实验验证了其负折射行为。但是，由于LHM的结构单元远小于波长，目前的刻蚀工艺已经严重制约了光波段LHM的进一步发展。
2.3 国内研制单一结构同时实现“双负”
利用SRR环和开口金属线组成阵列分别实现负磁导率和负介电常数，这种组阵方式的复杂性增加了制作难度。能否通过单一结构同时实现“双负”？国内研究者进行了尝试。已经报道的有浙江大学的“S”形
，复旦大学的“工”形
，西北工业大学的“H”形等。2008年6月，西安交通大学采用一种“巨”字形结构[3]，利用丝网印刷在氧化铝基板上进行加工制作，获得同时具有磁谐振和电谐振结构组成的左手材料。这种单一结构制作方便，双负频段较宽。通过模拟与测试，单一结构中能同时出现电谐振和磁谐振，并且由于谐振负区的重合而形成“双负”区域。采用丝网印刷制作的“巨”字结构样品如图2所示。
[2]
图2 氧化铝底板测试样品
2008年8月，西北工业大学理学院赵晓鹏研究组在红外波段左手材料制备方面的研究取得新进展。采用双模板辅助化学电沉积制备金属银树枝状结构阵列，制备出大面积（平方厘米级）红外左手材料。2009年9月，赵晓鹏研究组制备出蓝光波段左手材料。采用双模板辅助化学电沉积法，以聚苯乙烯小球为初级模板，二维ZnO 有序多孔薄膜为二级模板，[5][4]
制备了银树枝状结构阵列，同时还研究了沉积电压对ZnO 有序多孔薄膜质量和银树枝形貌的影响。在最佳条件下制备了大面积（2cm）银树枝状结构的周期性阵列，可见光透射峰的出现和聚焦实验证实制备的银树枝状结构阵列在蓝光波段480 nm 处实现了左手效应。
23 左手材料得到广泛应用
3.1 天线覆层可提高天线定向性
空间通信与微波武器等领域对天线的要求日益提高， 左手材料用在天线上具有独特优势，可以提高天线定向性，以确保通信的保密性和高效性。浙江大学在微带贴片天线上覆盖左手材料，此覆层将类似凸透镜把点源发散光聚集成平行光，显著地改善贴片天线的方向性。天线覆层使工作在2.6 GHz的贴片天线方向性由7.7 dB提高到16.8 dB。2009年，国防科技大学采用平面左手材料制备Ku波段新型左手材料天线罩。实验证明加入左手材料平面天线罩后，天线的波束得到汇聚，同时增益提高了5 dB左右。2009年10月，韩国LG电子[7]在最新款手机LG BL40的天线部分采用了美国Rayspan公司的左手材料，可以在不降低增益等特性时实现小型化。
3.2 减少手机辐射对人体伤害[8]
同济大学物理实验室制造出新型左手材料开口环状谐振器（SRR），用它制成定向天线，通过人造结构控制电磁波传播方向，可以智能寻找附近的基站，只向该基站方向发射信号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向传播，从而避免电磁波对手机使用者造成辐射伤害。
3.3 隐身技术
南京大学在研究中发现将左手材料覆盖在金属棒或金属球外面，在特定的实验条件下，电磁波经过它时，并没有发生通常出现的“反射”现象。这预示着利用左手材料有可能使某些金属结构对电磁波产生“隐身”效果，左手材料可望用于隐身技术。
3.4 屏蔽技术
电子科技大学利用左手媒质设计了微波空间滤波器，其滤波特性有很好的矩形度，带外隔离度非常大，是用普通媒质设计的滤波器无法比拟的。左手媒质微波空间滤波器的优良特性在军事上有广泛的应用前景，例如军用飞机的雷达罩、微波天线防干扰和防微波高能武器的屏蔽罩等。
3.5 小型化微波部件
用左手材料制作的微波部件可显著减小体积。一种左手复合传输线双模带阻滤波器，中心频率1.12 GHz，尺寸11 mm×50 mm，是普通滤波器尺寸的1/5。
[6]
4 左手材料应用展望
对左手材料的研究已从微波发展到太赫兹以及光波段。微波段左手材料广泛应用于微波器件，如微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、宽带相移器、微带巴伦功分器、谐振器、移相器和天线等。这些器件应用于各种武器装备，可以提高其性能。左手材料在天线上的应用很有吸引力，因为高灵敏度和方向性好的天线在军事武器上应用很广，比如雷达、战斗机、GPS导航系统等。利用左手材料中电磁波的反切仑科夫辐射，可以制备后向波辐射天线。红外波段磁响应的实现可应用于生物安全成像、生物分子指纹识别、遥感、恶劣天气条件下的导航、微型谐振腔等。可见光波段左手材料可以制作能突破衍射极限的透镜，可应用于超灵敏单分子探测器，探测各种深埋于地下的武器。
左手材料还可用于通讯系统，制造更小的移动电话，在未来的无线通信中起到不可忽视的作用。左手材料有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，制作出存储容量比现有DVD 高几个数量级的新型光学存储系统。左手材料研究领域已越来越受到各国科研人员重视。随着科学家们的不断探索，人们将制造出更加丰富多样的左手材料，将在空间技术、武器装备、卫星有效载荷、遥感探测等领域得到更加广泛的应用，有力地促进我国国防事业的发展。
参考文献
[1] 全球首例面向红外线的“左手材料”将成为光通信领域的新旗手（OL）.
2005-12-22
[2] Liu N，Guo H C，Fu L W，et al. Three-dimensional photonic metamaterials at optical frequencies（J）. Nature
Mater，2008，7:31
[3] 杨一鸣，屈绍波，王甲富. 由同时具有磁谐振和电谐振结构组成的左手材料（J）.物理学报，2009，58（2）：1031~1035
[4] Liu H，Zhao X P，Yang Y，et al. Fabrication of infrared left-handed metamaterals via double template-assisted
electrochemical deposition（J）.Adv Mater，2008，20:2050
[5] 李庆武，相建凯，赵延. 蓝光波段左手材料的化学制备方法（J）.材料导报，2009，23（9）：8~10，21
[6] 吴微微，黄敬健，胡俊伟. Ku波段新型左手材料平面天线罩（J）.宇航学报，2009，30（5）：1953~1956
[7] 野泽，哲生. LG电子在手机上采用左手材料天线（OL）. 2009-10-20
[8] 周晓明. 左手材料SRR在手机辐射防护中的作用（J）.华南理工大学学报（自然科学版），2009，37[9]
（7）：135~137，146
[9] 姜弢，刘福平，朱梦渝. 左手材料在武器装备系统中的应用（J）. 装备环境工程，2010，7（1）：44~49