Что такое метаматериалы? Какие существуют типы и области применения?

1. Что такое метаматериалы?

Первые исследования в области метаматериалов были посвящены метаматериалам с отрицательным коэффициентом преломления. Концепция материалов с отрицательной диэлектрической проницаемостью и отрицательной проницаемостью была впервые представлена советским ученым Веселаго в 1968 году, и было предсказано, что с помощью этих материалов можно достичь отрицательного преломления и обратного доплеровского эффекта. Поскольку связь между электрическим полем E, магнитным полем H и волновым вектором k больше не соответствует правилу правой спирали, когда диэлектрическая проницаемость и проницаемость отрицательны, а скорее правилу левой спирали, эти материалы также известны как "левосторонние материалы", но эти характеристики не существуют в природных материалах. Концепция метаматериалов появилась только в 1996 и 1999 годах, когда британские ученые Пендри и др. разработали периодическое расположение металлических тонкопроволочных структур и структур открытого резонансного кольца (SRR) и продемонстрировали возможность достижения отрицательной эквивалентной диэлектрической проницаемости и отрицательной проницаемости, соответственно.

(A) Схема резонатора с разрезным кольцом (SRR) и (B) Схема решетки метаматериала, используемого для демонстрации отрицательного показателя преломления, образованного квадратным массивом резонаторов с разрезным кольцом, который придает материалу отрицательную магнитную проницаемость.

Термин "метаматериал" был первоначально введен профессором Роджером М. Уолсером для описания несуществующих в природе, искусственно изготовленных трехмерных композитов с периодической структурой. Метаматериалы - это искусственные материалы с необычными физическими свойствами, не встречающимися в природных материалах. Метаматериалы создаются на основе узоров или структур микронного/нанометрового масштаба, которые позволяют им взаимодействовать со светом или другими формами энергии способами, не существующими в природе.

Метаматериалы часто ассоциируются с нанотехнологиями, поскольку унитарная структура, повторяющаяся в оптических приложениях, измеряется в нанометрах. Создание метаматериалов возможно только с помощью нанотехнологий. В будущем, по мере развития нанотехнологий в ближайшие десятилетия, будет открыто все больше новых метаматериалов и снижена стоимость их производства.

2、Характеристики метаматериалов

(i) Метаматериалы - это искусственно разработанные и изготовленные материалы, а не материалы естественного происхождения;

(ii) Метаматериал - это композитный или гибридный материал, а не один или чистый материал;

(iii) Метаматериалы проявляют физические свойства, которые являются сверхнормальными и присущи не всем природным материалам, например, отрицательный коэффициент преломления, отрицательная магнитная проницаемость, отрицательная диэлектрическая проницаемость, обратный эффект Доплера;

(iv) Метаматериалы могут быть созданы для эффективного манипулирования световыми, электромагнитными и звуковыми волнами путем изменения физических свойств базовой структуры, формы, ориентации и расположения материала;

3、 Виды метаматериалов

Электромагнитные метаматериалы
Акустические метаматериалы
Механические метаматериалы
Тепловые метаматериалы

4、Сценарии применения метаматериалов

Superlens

Гиперлинза - это двумерная планарная линзовая структура, состоящая из оптических элементов, которые фокусируют свет на сверхповерхности. Она названа одной из 10 лучших развивающихся технологий 2019 года. Когда коэффициент преломления положительный, обычные линзы не могут точно сфокусировать свет на области менее квадратной длины волны из-за экспоненциальной скорости затухания волн. Как обнаружил Эрнст Карл Аббе, обычные линзы ограничены дифракционным пределом; однако суперлинзы (или суперлинзы) используют метаматериалы, чтобы превзойти дифракционный предел, получив показатель преломления, равный -1. Свет, попадающий в суперлинзу, образует отрицательный угол или отрицательный коэффициент преломления, как показано на рисунке 3, имеет нормаль к поверхности и испытывает эффект двойной фокусировки. Для получения суперлинзы метаматериал должен иметь как отрицательную диэлектрическую проницаемость, так и отрицательную диэлектрическую проницаемость, чтобы преобразовать информацию о субволновом объекте и воспроизвести изображение без искажений и потери информации. Линза также может проецировать затухающую волну между объектом на одной стороне пластины и изображением, сформированным на другой стороне линзы.

Свет, проникающий в метаматериал с отрицательным коэффициентом преломления

Преимущества суперлинз в том, что они тоньше, легче, дешевле, лучше визуализируют и легче интегрируются. Поляризация, фаза и амплитуда света могут регулироваться путем изменения формы, направления вращения, высоты и других параметров структуры. Суперлинзы могут быть использованы для защиты от землетрясений и цунами, формирования изображений со сверхразрешением, квантовой фотоники, нелинейной оптики, биосенсинга, элементов оптических схем, фотолитографии и многих других применений.

Обычные линзы против суперлинз

Солнечные абсорберы

Фотоэлектрические устройства широко используются для преобразования солнечного света в электричество. Однако они могут преобразовывать только ограниченную часть солнечного спектра, и эффективность фотоэлектрических устройств ограничена Шокли–Предел Куайса(Листыp-n(теоретический предел преобразования энергии, достижимый узловыми солнечными элементами)Пределы. Одним из основных достижений метаматериалов является разработка поверхностных плазмонных и плазмонных оптических антенн для методов поглощения света. Поверхностные плазмонные возбуждения обладают способностью направлять, фокусировать и рассеивать свет в наномасштабе, чтоСделать этоСтановятся идеальными для усиления поглощения света солнечными элементами. Ограничения обычных фотоэлектрических солнечных элементов следующиеКогдаТолщина солнечного элемента составляет менее 100 мкмэффективностьстанетнизкий; однако, когдаДостижениеПри использовании плазменных структур эта проблемабудетОна была решена и можетВУсиленное электрическое поле при, , , иСокращениеАккумуляторТолщина иСделайте его болееТонкие. Кроме того, на поверхностях метаматериалов возникают поверхностные плазменные возбужденияВремяИх можно использовать для управления взаимодействиями, происходящими внутри поглощающего свет устройства, и значительно усилить электрическое поле вблизи поверхности. Плазменные оптические антенны также исследуются, поскольку они могут значительно повысить эффективность солнечных батарей при значительном уменьшении размеров устройства. Эти антенны ведут себя аналогично коллекторам света, уменьшая потери на отражение и увеличивая сечение поглощения.

Схематическая диаграмма абсорбера.(a)Массивные структуры;(b)Конструкция блока абсорбера;(c)Вид сверху на блок абсорбера;(d)Диаграмма процесса подготовки

Беспроводная передача энергии (WPT)

Беспроводная передача энергии: передача электрической энергии без физической связи между устройствами. Генерируя электромагнитное поле между передатчиком и приемником для передачи электроэнергии, эта технология используется в таких устройствах, как беспроводные зарядные устройства, биомедицинские имплантаты и электромобили. Спрос на более эффективные системы беспроводной передачи энергии (WPT) растет по мере того, как все больше и больше устройств становятся беспроводными, и метаматериалы показали перспективу сделать эти системы более эффективными.

Перестраиваемый по частоте двухзарядный магнитосвязанный резонанс с перестраиваемыми по частоте метаматериалами(MRC)-Передача энергии по радиоканалу(WFT)Системы

Выявление рака

Выявление рака:: СледующееОбнаружение злокачественных клеток в организме. Основной принцип работы ультраматериального датчика для обнаружения рака заключается в том, что, поскольку опухоли имеют более высокое содержание воды, чем нормальная ткань, на микроволновых частотахεиμДиэлектрическая проницаемость образца может быть измерена, чтобы определить, является ли он злокачественным, поскольку она выше, чем у нормальной ткани..Spada и др.Представлен биосенсор, состоящий из массива комплементарных металлических метаматериальных резонаторов омега-формы. Исследователи смогли создать биосенсор, который обладает высокой чувствительностью в отличии злокачественной ткани от нормальной, поскольку электромагнитное поле расположено вокруг метаматериальных резонаторов, усиливая взаимодействие между полем и образцом.

Хотя метаматериалы все еще имеют много ограничений и недостатков, их особенности позволяют им иметь широкие перспективы применения во многих областях, таких как национальная оборона, авиация и строительство, что привлекает многих исследователей инвестировать в них. По мере совершенствования технологий производства и применения метаматериалов, в мировой индустрии метаматериалов будет появляться все больше компаний, а масштабы рынка будут расти быстрыми темпами. Ожидается, что в 2026 году масштабы мирового рынка метаматериалов достигнут 10 миллиардов долларов, что открывает отличные перспективы для развития отрасли.

Мы предлагаем быстрыйСуперповерхностные линзы / Услуги по проектированию микро- и наноструктурне стесняйтесь оставлять комментарии.