双曲超材料及其传感器研究进展

超材料为具有超常电磁性质的人工结构,因拥有自然界材料没有的介电常数、磁导率和折射率等电磁性质而引起人们的关注。双曲超材料是具有强各向异性介电张量或磁导率张量的介质,其介电常数张量或磁导率张量的分量在一个或两个空间方向上为负,与其他类型的超材料相比,双曲超材料具有在光学频率下相对容易制造、宽带非共振和三维体响应以及灵活的波长可调谐性等优点。本文综述了双曲超材料的特性、实现方法、可调谐及活性以及其作为超灵敏传感器的发展,重点讨论了基于金属/介质多层结构及金属纳米线阵列的双曲超材料作为生物传感器的原理及研究进展,并指出双曲超材料传感器发展的长期目标是结构简单、便于制备、宽频带和多元分析。     

基于外场调控的智能热控超材料

超材料因其结构可设计性和优异的物理性能成为近年来的研究热点.热学超材料因能针对性设计红外发射率和反射率等热性能而备受关注.近年来热学超材料朝着"智能化"和"多功能"的趋势发展,智能热调控超材料是实现高效热控的重要途径.以相变涂层为主的传统智能热控材料具有精度低、调控幅度小和可设计性差等局限性.超结构设计能使材料实现理想的电磁特性,并通过表面等离激元等不同的损耗机制实现特定波段的完美吸收.在此基础上,引入相变材料或可重构表面实现的智能热控超材料能够快速、精准地实现热性能的大幅调控.智能热控超材料可实现热场、电场、力场和其他外场等多方式调控.合理的超结构设计能够使材料在热场的被动调控下同时实现吸收率和吸收峰峰位稳定调谐.基于电场调控的材料具有更高的调制精度和快速响应能力.生物启迪的力学热控超材料因其设计简单和柔性的优势而有望大面积应用.此外,基于磁、光等其他外场实现热调控也有相关报道.本文归纳了智能热控超材料的研究现状,首先简单介绍了完美吸收和智能热控的相关概念,从结构设计和损耗机理的角度出发,分析了基于不同外场智能热控超材料的调控途径和研究进展,最后总结了智能热控超材料目前面临的挑战并展望其未来的发展方向.     

超材料吸波体及其3D打印制造研究进展

超材料吸波体由于其独特的电磁特性和较强的结构设计性等优点,成为电磁吸波领域的研究热点。而3D打印技术能够突破传统制造方式的缺陷,极大地提高设计自由度,因此利用其制备超材料能够实现结构与功能的一体化,逐渐成为超材料吸波体领域的重要发展方向。本文阐述了基于等效介质理论的超材料吸波体吸波机理,介绍了超材料吸波体在宽频吸波、极化和角度不敏感、动态可调性等方面的研究现状,进而归纳了3D打印超材料吸波体的研究进展以及现阶段3D打印超材料吸波体研究中存在的问题,并从吸波性能、结构设计、应用发展三个角度对3D打印超材料吸波体的未来发展进行了展望。     

可控Metamaterial与结构的电磁波吸收特性研究

提出了一种可控超电磁材料Metamatrial与结构,研究了在4～10GHz范围内的电磁波传输系数与单站雷达散射截面(RCS)的电可控特性.对开口谐振环(Split ring resonators,SRRs)和带有p-i-n二极管的金属细线阵列,通过对间断处置有的5个p-i-n二极管施加电压来改变介质和整个结构的电参数的有效特性,从而实现电磁渡的传榆特性控制和此种材料与结构的电控制.应用金属波导理论、ANSOFT HFSS,高、低阻抗表面(HLIS)和辐射边界条件等模拟传输系数和单站雷达散射截面(RCS),得出整个超电磁.Metamatrial材料与结构在谐振频带6.0GHz附近有好的近似导通与截止的控制特性;对于垂直入射的平面波,在不加铁氧体情况下RCS可减小-5dBm,传输系数约-30dB(5.4GHz附近);添加铁氧体其谐振频率将朝低频发生位移,在谐振点附近传输特性表现为更差,而通、断可控 特性表现为传输系数可调范围约-28dB,RCS可调范围约-10dBm.     

尖晶石结构磁介电材料的研究进展

随着通信技术的发展,对无限通信设备的集成度有了更高的要求,天线小型化成为目前重要的研究方向。等磁介电材料是一种既具有磁导率又具有介电常数,且磁导率和介电常数几乎相等的材料,使用等磁介电材料作为天线的基板,能有效的减小天线的尺寸,提高带宽,增加辐射效率。铁氧体是由Fe2O3和一种或多种金属氧化物复合而成,具有较高的磁导率和介电常数,由于其同时具有磁特性和介电特性,是一种潜在的等磁介电材料。综述了近几年尖晶石结构磁介电材料的国内外研究进展,着重讨论了掺杂改性对烧结温度、磁导率、介电常数、直流电阻等电磁特性的影响。最后指出目前研究中存在的问题,并展望了该材料在未来发展的方向。     

可调谐手征超表面电磁特性研究进展

手征超表面是由具有特定电磁响应的平面手征单元结构构成的超薄超材料,由于其具有自由控制电磁波的奇异能力而引起了极大的关注。通过在超表面设计中加入可调谐材料,可以实现其功能受外部激发控制的可调谐或可重构的超器件,为动态调谐电磁波开辟了新的道路。本文介绍了可调/可重构手征超表面电磁特性的一些理论基础,当线偏振光进入可调谐手征超表面时,会被分解为左旋圆偏振(LCP)波和右旋圆偏振(RCP)波,通过外部环境改变介质的介电常数和磁导率,超表面光器件可以动态地控制各种偏振光特别是圆偏振光的响应特性如折射率、二色性、旋光性、不对称传输等。按照可调谐手征超表面所控制的负折射率、圆二色性和旋光性、不对称传输性质,对其最新的研究进展进行了综述。最后,对可调谐手征超表面这一快速发展领域未来可能的发展方向和存在的挑战提出了自己的看法。     

基于集总元件的超材料吸波器研究进展

基于集总元件的亚波长电磁超材料吸波器,因其厚度薄、吸波率强、谐振频率(或带宽)可调谐性和便于集成等优点越来越受到人们的关注。介绍了当前国内外基于集总元件的超材料吸波器的最新研究进展,并根据集总元件的种类对其进行分类,阐述了不同的吸波机理。这种可重构超介质吸波材料在能量搜集、信号源探测、(5G通信)电磁兼容、MINO天线、舰船隐身等诸多前沿领域有广阔的应用价值。     

水基吸波超材料的研究进展

吸波超材料已经成为国内外电磁隐身和防护领域的研究热点,并取得了一系列重要的研究成果。超材料独有的人工周期性结构能够引发特异的电磁特性,从而满足吸波器件“薄、轻、宽、强”的综合性能要求,其中宽频吸波仍然是超材料吸波器件设计的难点。与传统金属基吸收体相比,水在微波频段特有的频散效应有助于实现水基吸波体在此频率范围内的高效吸收。近年来,宽频水基吸波超材料已经取得了一定的突破,但依旧存在一些问题需进行总结分析。本文综述了近年来水基吸波超材料的重要研究进展,按照吸波介质与结构特性,分类介绍了基于单纯水、水溶液和复合型水基吸波超材料的主要特征,展开说明了水基吸波超材料在微波频段的应用优势,并在此基础上展望了水基吸波超材料多功能化的研究趋势。     

高效光学可调谐介质超表面研究进展

自超表面(超薄亚波长厚度超材料)被提出之后,其基础材料经历了从金属、混合介质再到全介质材料的更迭.传统超表面功能单一,在实际应用中存在局限性,因此,研究者们把目标放在了动态可调谐的超表面上.本文介绍了具有高效光传输特性的混合介质和全介质的可调谐超表面的一些理论基础,并对近期的研究进展进行了综述,全介质型可调谐超表面又分为材料调谐和物理调谐两部分.在红外和太赫兹波段,主要介绍了锗-锑-碲化合物(Ge2 Sb2 Te5,GST)、VO2、石墨烯、液晶、砷化镓等一些常用材料的可调谐超表面的研究进展,最后,给出了对可调谐超表面未来发展的一些个人看法.     

超疏水电磁屏蔽材料的制备及研究进展

超疏水电磁屏蔽材料以其自清洁、抗污、防粘附、防腐、防电磁辐射等特性具有广泛的应用前景。介绍了超疏水电磁屏蔽材料的制备原理，阐述了基于纳米金属、碳基导电复合材料、导电聚合物的超疏水电磁屏蔽功能材料的制备方法及其应用，分析了超疏水电磁屏蔽材料开发所存在的问题，并对具有优异电磁屏蔽性能的超疏水多功能材料的开发进行了展望。     

特殊浸润性纳米纤维膜材料在油水分离中的研究进展

油水混合物经过分离后再处理,不仅可以实现油、水资源的重复利用,还能有效避免由于直接排放所造成的环境污染问题,因此研究用于分离油水混合物的材料对于节约资源和保护环境就显得尤为重要.其中,特殊浸润性纳米纤维膜材料具有超疏水/超亲油或超亲水/超疏油等特性,这使其在油水分离的应用研究中得到广泛关注.基于此,本文对特殊浸润性纳米纤维膜材料在油水分离领域的研究现状和应用进行了综述.介绍了特殊浸润性材料的基础理论和电纺纳米纤维膜的应用,归纳并总结了特殊浸润性纳米纤维膜材料在油水分离领域中的研究进展,最后指出在油水分离过程中,特殊浸润性纳米纤维膜上精细的微观结构很容易受到机械损坏和化学污染,这极大地限制了其在油水分离中的应用,同时对于研究出结构稳定、耐酸碱、并且可大规模生产的高效分离性能的特殊浸润性纳米纤维膜材料进行了展望.     

基于超磁致伸缩材料的FBG电流传感器温度特性研究

针对基于超磁致伸缩材料的FBG电流传感器,分析了温度对传感头各个部分和整个传感头的影响,通过试验研究了FBG、Fe—Ga超磁致伸缩棒以及传感头三个部分的温度特性。结果表明,FBG的温度特性为线性,Fe—Ga超磁致伸缩棒以及传感头的温度特性整体为非线性,Fe—Ga超磁致伸缩棒的温度响应大于FBG的温度响应,传感头的温度特性主要取决于Fe—Ga超磁致伸缩棒的温度特性。在26℃到60℃范围内,根据传感头的温度特性,可采取分段补偿的方法消除温度影响,将温度特性分为线性区和非线性区两个范围,分别得到了传感头温度特性拟合方程。     

太赫兹超材料及其成像应用研究进展

电磁超材料因具有特殊的物理性质以及在电磁波操控方面的重要应用而备受关注。本文综述了太赫兹超材料及其成像应用的研究进展:首先介绍了太赫兹超材料的研究概况,重点讨论了可调谐与可重构太赫兹超材料、太赫兹数字编码与现场可编程超材料的研究进展;在此基础上,阐述了太赫兹超材料在成像领域的应用,包括基于超表面透镜、超材料吸波器、可重构超表面和现场可编程超表面的太赫兹成像技术;最后讨论了太赫兹超材料及其成像应用发展趋势。功能可重构及智能化将是太赫兹超材料的重要发展方向,而新兴的信息超材料融合了超材料与信息技术也将使太赫兹成像更加高效便捷。     

超材料隐身理论应用于多物理场的研究进展

超材料指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料,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。变换光学理论的提出及其在完美电磁隐身衣中的成功应用,大大拓展了超材料的研究范围,而且将超材料研究由电磁场调控推广到声、力、热、化学以及静电/静磁等其他多物理场,发展出一系列非电磁超材料,而隐身也作为最典型的物理场调控类型,受到广泛的研究。这些物理场往往具有相似的理论表达形式,但物理细节又各有特点,近些年超材料隐身用于多物理场的研究已经形成了一系列富有特色的研究方向。简要介绍了超材料的发展,阐述了超材料隐身的几种典型方法,还对超材料隐身在多物理场、尤其是非电磁物理场中的研究进展进行了综述介绍。     

基于超材料的无标记光学生物传感

超材料(metamaterials)因为能够在亚波长尺度范围内精细调控电磁波而受到人们广泛关注。超材料具有丰富的电磁模态,在表面支持高度局域场增强且对周围介电环境极其敏感,可应用于无标记光学生物传感领域。与传统光学生物传感器相比,超材料生物传感器具有小型化、集成化、高度灵敏、多功能可定制等突出优点。本文总结了近年来超材料生物传感器在可见光、近红外、中红外以及太赫兹波段的研究进展,包括折射率生物传感、表面增强拉曼散射、表面增强红外吸收和太赫兹生物传感等。     

超高记录密度GdFeCo磁光材料超高速磁存储技术的研究进展

稀土-过渡金属GdFeCo磁光材料由于具有亚铁磁特性,在超快飞秒激光作用下有望实现超高记录密度、超高记录速度的磁存储技术。详细介绍了在飞秒激光作用下,超高记录密度GdFeCo磁光材料应用于超高速磁存储技术的最新研究进展,具体包括飞秒激光辅助跨越磁化补偿点磁化反转,飞秒圆偏振激光全光磁化反转和飞秒激光超快加热全光磁化反转存储技术。     

高介电栅介质材料研究进展

传统的栅介质材料SiO₂不能满足CMOS晶体管尺度进一步缩小的要求, 因此高介电栅介质材料在近几年得到了广泛的研究, 进展迅速. 本文综述了国内外对高介电材料的研究成果, 并结合作者的工作介绍了高介电栅介质在晶化温度、低介电界面层、介电击穿和金属栅电极等方面的最新研究进展.     

传输/反射法测量固体复介质材料介电常数

介绍/传输反射法测量固体介质材料复介电常数等关键技术难点,通过建立固体介质材料的介电谱和磁谱测量装置,开展复介电常数、复磁导率、复损耗角正切测量技术研究,在30 MHz～18 GHz采用空气线同轴传输的方法、在18～50 GHz采用三段波导传输的方法,实现了30 MHz～50 GHz全频段固体介质材料电磁参数的测试能力,提出了复介电常数、复磁导率、复损耗角正切测量的数学模型,编制了材料测试软件,实现了同轴和波导的全频段测量。     

二维原子晶体材料中的各向异性研究概述

二维原子晶体材料简称二维材料,因载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内,展现出了许多奇特的性质而受到了广泛关注。二维材料的带隙可调特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛。另外二维材料的自旋自由度和谷自由度的可控性使得二维材料在自旋电子学和谷电子学等领域也引发了深入的研究。不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或者光学特性的各向异性,包括拉曼光谱、光致发光光谱、二阶谐波谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性。这些各向异性特性在偏振光电器件、偏振热电器件、仿生器件、偏振光探等领域拥有巨大的发展潜力。二维材料的各向异性还能够用于实现器件性能的最优化。文章介绍了各种二维材料的各向异性的最新研究进展。     

二维原子晶体材料中的各向异性研究概述

二维原子晶体材料简称二维材料,因载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内,展现出了许多奇特的性质而受到了广泛关注.二维材料的带隙可调特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛.另外二维材料的自旋自由度和谷自由度的可控性使得二维材料在自旋电子学和谷电子学等领域也引发了深入的研究.不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或者光学特性的各向异性,包括拉曼光谱、光致发光光谱、二阶谐波谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性.这些各向异性特性在偏振光电器件、偏振热电器件、仿生器件、偏振光探等领域拥有巨大的发展潜力.二维材料的各向异性还能够用于实现器件性能的最优化.文章介绍了各种二维材料的各向异性的最新研究进展.