清华大学周济院士团队：陶瓷基介质超材料

文章简介

01研究背景

早期超材料的研究主要针对天然材料中不存在的特殊物理性质，包括近零或负折射率、透射或吸收增强、逆多普勒效应和完美透镜行为等。如今，其新颖的物理性质和应用已拓展到多个领域，而广义的超材料也逐渐被定义为多功能、周期性或随机分布的阵列，如何进一步将超材料推向实际应用成为一个重要课题。在过去的几年中，许多新的器件，如增强型天线、完美吸收体、隐形器件、高灵敏度生物传感器和基于电磁超材料的滤波器不断涌现。然而，其中大多数仍基于传统金属结构。一直以来，金属中较高的欧姆损耗阻碍了相关电磁超材料器件的进一步发展，尤其是面向未来更高频率下的无线通讯等应用场景。

而结合Mie谐振理论和有效介质理论，介质超材料有望提供一种新的超材料构筑方法。在不同应用频段，不同研究领域，基于上述理论可实现多种超材料器件。在这里，我们主要讨论以陶瓷为单元的陶瓷基介质超材料。主要构成为具有高介电常数或其他特定功能参数（例如铁电、压电、介电和磁特性）的陶瓷，用于实现不同的谐振式器件。与传统金属基超材料在高频下构建分立元件（电容或电感）的结构设计相比，单个陶瓷块即可在陶瓷基介质超材料中实现基本谐振功能，结构更简单，制备更方便。

二十世纪初，早期陶瓷基介质超材料主要用于电磁领域。在以往的研究中，高介电常数陶瓷，如(Ba, Sr, Ca)TiO3基陶瓷，主要集中在微波频段。结合超材料单元具有亚波长尺寸、低功耗、灵活的结构设计和多功能性等优点，可以克服加载式金属器件（如金属谐振腔等）的限制，在自由空间中即可获得所需的谐振模态。此外，陶瓷谐振单元中不同谐振模式之间的强耦合，由于近场相互作用导致的弱耦合，以及与Mie谐振相关的结构与物质固有振动模式（如铁磁共振和晶格共振）之间的耦合也使得这类超材料具有更加丰富的功能。如今，它已被证明可广泛应用于覆盖微波和太赫兹频段的谐振器、滤波器、双工器、吸收器和增强型天线等功能器件。近年来，基于陶瓷的介质超材料在非厄密体系中找到了新的方向。例如，可以通过调整陶瓷单元的损耗和结构来调控模态耦合，以实现在厄密系统中不可能实现的特性，通过设计和制备具有特定功能的附加拓扑结构，该类超材料有望应用于基于量子理论的多种器件，如光开关、相干完美吸收器和高分辨率传感器等。目前，陶瓷基介质超材料已不再局限于电磁领域。随着陶瓷材料组分设计和制备方法的不断发展，相应的物理和化学性能更加可控，从而引发了陶瓷基介质超材料在更多领域的研究热潮。近年来，通过合理的结构设计，该类超材料在能量转换和其他领域也显示出许多优势，如优异的温度稳定性和能量吸收效率、可修饰的微观结构、良好的可加工性和易于制备等。在新应用和新物理的发展中，陶瓷基介质超材料正在不断创造新的可能性。

02主要内容

在这篇综述中，我们从电磁应用（包括微波吸收器、滤波器以及太赫兹器件）、能源应用（太阳能的收集与转化）、非厄密体系（一维Su–Schrieffer–Heeger模型）和基于超材料思想的天然陶瓷材料（近零折射率、负折射率、多功能的可调与集成）四个研究方向概述了陶瓷基介质超材料在过去几年的进展。从新的物理机制到应用，特别是结合模式耦合理论和实际非厄密系统，陶瓷基介质超材料将带来更多新颖的物理现象，从而发展出更加灵活的器件结构设计和材料构筑方法。此外，随着现代物理学和精细加工工艺的不断进步，针对如今陶瓷基介质超材料的功能实现仍无法完全摆脱其他材料复合的现状，仅由陶瓷构筑超材料实现的多功能器件有望蓬勃发展，在未来高集成度系统中将具有广阔的应用前景。

作者简介

周  济

清华大学材料学院教授，中国工程院院士。任新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室学术委员会主任、中国材料研究学会超材料分会理事长、中国电子元件行业协会科学技术委员会主任等。长期从事信息功能材料的研究，发展出了高性能低温烧结软磁铁氧体和低温共烧陶瓷（LTCC）介质材料，解决了无源电子元器件片式化和集成的关键技术难题，推动了国内片式电感器和无源集成产业的形成和发展；提出了通过超材料与自然材料的融合构筑新型功能材料的思想，率先发展出了非金属基超常电磁介质等新型材料。发表学术论文400余篇，出版学术专著2部，授权发明专利44项，作为第一完成人获国家自然科学二等奖和国家技术发明二等奖各1项，并获国家杰出青年基金、教育部长江学者特聘教授、全国优秀科技工作者等荣誉称号。

罗伟嘉

清华大学材料学院博士后，2015毕业于天津大学电子信息工程学院获工学学士学位，2020年毕业于天津大学微电子学院获工学博士学位。主要从事微波介质陶瓷、陶瓷基电磁超材料等方向研究，近年来发表学术论文30余篇。

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