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超材料的设计和制备方法及其应用超材料是一种新型的复合材料，它具有非常特殊的物理和化学性质，包括反向折射、负折射率、超支持力、超捕获效应等。
因此，它在未来的科学、技术、能源和环境保护等领域中具有非常广泛的应用前景。
本文将会详细阐述超材料的设计和制备方法，并介绍其在不同领域中的应用。
一、超材料的设计方法超材料的设计方法分为三类：基于各向同性质材料的超结构、基于各向异性材料的超结构和基于衍射限制的超结构。
基于各向同性质材料的超结构，是利用量子力学和经典电动力学的方法，通过设计精细的微结构，使得所设计的假定材料具有各种非自然的物性，如负折射、正向折射等。
该方法最早由英国物理学家维克托·维斯恩先生开发，并已在无限大范围内取得成功。
基于各向异性材料的超结构，是通过多孔材料、介质和导体的自然性质来设计材料。
在此情况下，需要考虑多个物理特性，包括金属或介质的自然频率、耦合常数、介质常数等。
其中最具有代表性的是超材料的电磁特性，这种特性被用来研究超材料及其性质与设计。
基于衍射限制的超结构，是利用超材料中的障碍物和人造结构，在电场和磁场中所产生的束缚能和相互作用力中提供微結构效应。
例如，超材料可以用如折射、透射和反射等宏观物理现象处理电磁波，从而实现信号的方向或波长的选择。
二、超材料的制备方法超材料的制备方法有很多，根据不同的应用范围和研究对象，采用的方法也不相同。
本文将介绍几种常见的方法。
1. 电化学沉积法：该方法是利用电化学沉积的原理，把金属离子沉积到悬浮液中的制成规定的杆、球、圆形等不同尺寸和形状的超材料。
该方法具有制备速度快、成本低、尺寸精度高等特点。
2. 溶胶凝胶法：该方法是将金属醇盐溶液灌入玻璃纤维等多孔介质材料中的制成超材料。
该方法具有制备晶体质量高、抗多一质量高等特点。
3. 热爆炸法：该方法是利用高能量的热冲击波来实现超材料制备的，其特点是速度快、高精度、好控制等。
4. 聚簇反应法：该方法是利用纳米材料反应的过程来制备超材料的一种方法。
基于光学超材料的光纤传感器的制备与性能研究在现代科技的发展中，光纤传感器作为一种重要的传感器技术已经被广泛应用于各个领域，例如环境监测、生物医学、军事安全等。
其中，基于光学超材料的光纤传感器因其独特的性能在传感器领域中日益受到关注。
本文将探讨光学超材料在光纤传感器中的制备以及其性能研究。
首先，我们将关注光学超材料的制备方法。
光学超材料是一种由人工结构单元组成的材料，能够表现出不同于自然材料的光学特性。
目前制备光学超材料的常用方法有电子束光刻、离子束刻蚀、溶胶凝胶法等。
其中，电子束光刻是一种常用的制备光学超材料的方法，通过控制电子束的照射来制备具有特定结构的光学超材料。
此外，离子束刻蚀也是一种常见的制备方法，通过溅射蚀刻的方式可以制备出微纳米级别的结构，从而实现光学超材料的制备。
接下来，我们将介绍光学超材料在光纤传感器中的性能研究。
光学超材料作为传感器的重要组成部分，其性能的研究对于传感器的性能提升至关重要。
光学超材料在光纤传感器中的主要性能包括折射率、色散、吸收系数等。
通过调节光学超材料的结构和成分，可以实现对这些性能的控制和调节。
例如，调节光学超材料的结构可以实现对传感器的灵敏度和选择性的调节，从而使传感器能够对目标物质的微小变化做出准确的响应。
此外，光学超材料的吸收系数也可以通过调节结构来实现对传感器的增光效果，从而提高传感器的灵敏度。
除了对光学超材料的性能研究外，我们还将讨论光纤传感器的制备过程。
光纤传感器的制备可以分为两个主要步骤：光纤的制备和光学超材料的制备。
在光纤的制备过程中，需要选择适当的光纤材料和制备工艺，以确保光纤的质量和性能。
在光学超材料的制备过程中，需要选择合适的制备方法和参数，以确保光学超材料的结构和性能满足传感器的需求。
此外，还需要进行光学超材料与光纤的结合实验，以确保光学超材料能够与光纤良好地结合，并且能够实现传感器所需的性能。
最后，我们将探讨基于光学超材料的光纤传感器在实际应用中的潜力和挑战。
超材料的制备及其在光学领域的应用前景随着科学技术的飞速发展，人们对材料的研究和应用越来越重视。
超材料作为新兴材料之一，自发现以来一直备受研究者关注。
超材料的特殊结构和优异性能为其在光学领域的应用开辟了广阔的前景。
一、超材料的制备超材料是由人工制备的有序结构材料，能够控制电磁波的传播和反射。
超材料的制备需要先设计其结构和组成材料，然后经过特殊的加工手段进行制造。
1. 设计结构超材料的结构分为两种：一种是亚波长结构（sub-wavelength structure），另一种是周期性结构（periodic structure）。
亚波长结构的特点是结构尺寸小于电磁波的波长，如纳米和微米级别的结构，其具有捕获和控制电磁波的能力。
而周期性结构的特点是结构尺寸等于或大于电磁波的波长，因此能够控制电磁波的传输。
2. 组成材料超材料的组成材料主要包括金属、半导体和绝缘体等材料。
金属材料主要负责超材料的导电性能，半导体和绝缘体材料则负责其光电性能。
3. 制造方法目前广泛应用的制造超材料的方法主要有两种：一种是由多个微结构组成的超材料，另一种是基于纳米加工技术制造的超材料。
前者的制造方法主要有光刻、浸渍、快速原型制造、三维打印等；后者的制造方法则包括电子束、离子束、激光等技术。
二、超材料在光学领域的应用前景超材料作为新兴材料，其在光学领域的应用前景非常广阔。
主要表现在以下几个方面。
1. 光学调控超材料的结构可以对光的传输、反射、折射进行有效控制，使得光的传输路径变得更加灵活，能够实现对光的高精度控制。
这对光学仪器和光学通讯技术的发展有重要的影响。
2. 光电器件超材料可以被制成光电器件，例如超材料透镜、超材料调制器、超材料滤波器等，这些器件在光学通信、成像、光电显示等领域有着广泛的应用。
3. 光能转化超材料可以实现光能的转化和利用，例如用超材料制造太阳能电池、焦耳热发电器等等。
4. 光子晶体超材料还可以制造成光子晶体，其具有传统晶体的纯净性和复杂结构，不同的是其周期性结构是在光学波段范围内工作。
新型光学材料的合成博士生开发多功能光学材料的制备方法新型光学材料的合成博士生开发多功能光学材料的制备方法光学材料是研究光学性质和应用的重要领域之一。
近年来，随着科技的发展，对新型光学材料的需求日益增加。
本文将介绍一种博士生开发多功能光学材料的制备方法，为新型光学材料的合成提供了一种可行方案。
一、背景和意义光学材料是指对光起特殊作用的材料，包括吸收、传输和反射等。
随着科技的进步，光学材料在激光器、光通信和光电子器件等领域的应用变得愈发广泛。
然而，传统的光学材料多功能性有限，无法满足日益复杂的光学应用需求。
因此，开发新型多功能光学材料的制备方法具有重要的意义。
二、方法1. 材料选择：选择适合制备多功能光学材料的基础材料。
可以考虑有机、无机或复合材料等。
基础材料的选择应根据光学性质要求和应用场景进行合理的优化。
2. 合成方法：采用适当的合成方法合成新型光学材料。
可以考虑溶剂热法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法等不同的合成方法。
各种方法的选择应根据材料的性质和所需应用场景的要求进行合理的选择。
3. 材料表征：对合成的光学材料进行全面的表征，包括结构表征和性能表征。
可以借助X射线衍射、扫描电子显微镜、红外光谱等先进的材料表征技术进行分析。
4. 功能设计与改进：针对合成的光学材料的性能和应用需求，可以进行相应的功能设计和改进。
可以采用掺杂、改变结构和形貌等手段来增强材料的特定功能。
5. 应用验证：将合成的多功能光学材料应用于实际场景中，并进行实验验证。
通过对实验结果进行分析和评估，确定新材料在光学应用中的可行性和性能表现。
三、展望通过博士生开发的多功能光学材料的制备方法，有望为新型光学材料的合成提供一种可行方案。
通过不断优化和改进制备方法，未来有望实现更高性能和更广泛应用的多功能光学材料的开发。
这将在光学通信、光电子器件和生物光学等领域产生重要影响，推动光学技术的创新和进步。
四、结论本文介绍了一种博士生开发多功能光学材料的制备方法。
光学功能材料的制备及应用研究随着科学技术的不断进步，光学功能材料的应用范围也越来越广泛。
这些材料不仅可以制备成具有高光学透明度和高反射率的薄膜用于光学涂层、太阳能电池和平板显示器等领域，还可以用于制备光存储材料、激光材料和光学传感器等领域。
本文将就光学功能材料的制备及应用研究展开探讨。
一、光学功能材料的制备方法1. 溅射法溅射法是一种通过电磁场使靶材上的原子、离子或分子脱离并捕捉在衬底上的制备方法。
它可以制备出高质量的金属薄膜、氧化物薄膜和硅薄膜等，并且可以使薄膜的化学构成和物理性能得到很好的控制。
2. 气相沉积法气相沉积法是一种利用高温化学反应在气相中形成材料薄膜的方法。
它可以制备出高质量的硅、氮化硅、氧化铝、碳化硅、氧化锆和氧化铪等薄膜，同时可以通过改变反应温度、压力和反应气体流量来调节薄膜的厚度和组分。
3. 溶液法溶液法是一种通过在溶液中溶解材料、控制溶液浓度以及调节溶剂的性质来制备材料的方法。
它可以制备出具有不同形态和大小的晶体和纳米颗粒，同时可以通过控制反应条件来改变材料的性能。
二、光学功能材料在太阳能电池中的应用太阳能电池是利用太阳光能将光能转化为电能的一种设备。
而在太阳能电池中，光学功能材料扮演着至关重要的角色。
光学功能材料的高透射率和高反射率能够提高太阳能电池的光吸收率，从而提高光电转换效率。
目前，光学功能材料在太阳能电池中的应用主要包括透明电极、抗反射涂层和光学增强层。
1. 透明电极透明电极通常由导电氧化物或导电聚合物材料制成。
其中，氧化铟锡（ITO）是最广泛应用的透明电极材料之一。
而制备ITO薄膜的方法大多采用溅射法和气相沉积法。
光学功能材料的高光透过率和高电导率可以提高透明电极的光电转换效率。
2. 抗反射涂层抗反射涂层是一种通过在太阳能电池表面涂覆一层特殊材料来减少反射和增加吸收的一种薄膜。
制备抗反射涂层的方法主要有溅射法、气相沉积法和溶液法。
而光学功能材料的高抗反射率和高透过率可以提高抗反射涂层的性能。
超材料的制备和光学应用超材料是一种具有特殊光学性能的人工微结构材料，它的出现引发了科学家们对未来光学技术的无限遐想。
超材料在光学通信、光学信息处理、纳米光子学等方面具有巨大的应用前景。
本文将从超材料的制备以及光学应用等方面进行探讨。
一、制备超材料的方法超材料的制备首先需要原材料，通常采用金属、氧化物或半导体材料。
其次，超材料的制备方法也各不相同，下面简单介绍几种方法：1. 直接写入法直接写入法是将超材料材料直接写入到介质中，可以通过高分辨率电子束曝光、激光刻蚀等手段来实现。
这种方法可以制备出高精度、高质量、高可靠性的超材料，但是制备时间和成本较高。
2. 模板法模板法需要使用有序介孔材料作为模板，通过沉积材料、去除模板等过程来制备超材料。
这种方法制备的超材料结构较为有序，制备过程简单，并且可以制备大面积的超材料。
但是因为制备过程需要使用模板，所以其结构比较固定，不够灵活。
3. 分子束外延法分子束外延法可以实现超材料的原子级控制，具有可变性强、制备速度快、复合材料制备方便等优点。
但是其成本较高，制备过程也较为繁琐。
二、超材料在光学领域的应用1. 超透镜超透镜是一种能够充分利用负折射率超材料的性质进行成像的光学设备。
利用透镜的强聚焦能力，可以实现超高分辨率的成像，甚至超过自然衍射极限，对光学成像技术的进一步发展具有重要意义。
2. 负折射率超材料负折射率超材料是具有特殊折射率性能的光学材料，在光学成像、光学通信等领域有着重要的应用。
负折射率超材料能够使光线产生反向弯曲，可以实现具有超远距离传输能力的光学通信，同时还可以用于制备高效光伏器件等。
3. 光学传感器超材料在光学传感领域的应用也十分广泛。
基于超材料的光学传感器能够对材料的物理和化学性质进行高灵敏度、高选择性的检测。
这种传感器具有快速、准确的响应特性，可以用于生物医学、水质监测、空气质量检测等领域。
三、超材料的发展前景超材料的出现为光学技术带来了一次重要突破，其在传感、光学通信、光学成像等方面均有着广泛的应用前景。
光学超材料的制备与性能研究随着现代科学技术的不断发展，光学超材料的研究成为了人们热议的热点话题之一。
光学超材料是一种通过微观结构设计实现光学特性调控的新材料，具有超出自然材料的光学性能。
本文将介绍光学超材料的制备与性能研究方面的研究现状。
一、光学超材料的制备方法1.自下而上法自下而上法是通过原子、分子或纳米粒子聚集自组装成高级结构的方法。
这种方法的优点是可以制备各种形式的超材料，还可以控制超材料的结构和性能。
2.自上而下法自上而下法是通过微细加工或光刻技术制备光学超材料的方法。
这种方法的优点是可以制备具有高边缘分辨率的光学超材料，适用于制备各种形式的超材料。
二、光学超材料的光学性能研究1.负折射率负折射率是光学超材料的一个重要特性。
负折射率意味着光可以在光学超材料中被弯曲，从而使得光可以穿过一些常规材料无法穿透的表面。
2.超透射超透射是指光学超材料的透射率超过了自由空间。
这种现象产生于超材料中的电磁波在穿过超材料时会与微观结构相互作用，从而使得光的透射率大于1。
3.Cherenkov辐射Cherenkov辐射是指当带电粒子穿过超材料时，会产生光的辐射现象。
这种现象产生的原因是电子速度超过了光速。
Cherenkov 辐射可以在高能物理实验中使用，也可以用于医学成像。
三、光学超材料的应用1.超透镜超透镜是一种可以使得光线以超过截止孔径的分辨率穿过透镜的光学元件。
超透镜可以被用于光学显微镜、纳米制造和生物成像领域。
2.隐身技术光学超材料可以用于制造隐身织物和隐身涂料。
这种材料可以使得光线穿过这种材料时比较减缓，从而产生厚度大于实际厚度的视觉效果。
3.热电转换光学超材料可以被用于制造高效的热电转换器。
这种设备可以将废热转化为电能，从而提高能源利用率。
热电转换器可以被用于各种领域，包括航空航天、汽车和工业制造。
总之，光学超材料具有许多的特殊性能和潜在应用。
在未来，随着科学技术的不断发展，光学超材料的应用前景将会越来越广阔。
超材料的制备及其在光学领域中的应用引言超材料在物理学中是一个相对较新的研究领域，在20世纪90年代首次出现，并且最近几十年得到了越来越多的关注。
因其独特的物理特性，超材料在光学、电磁学、声学等领域中得到了广泛的应用。
本文将探讨超材料的制备以及其在光学领域中的应用。
超材料的制备超新材料的制备是一个非常复杂的过程，通常涉及到多种化学技术和物理技术。
由于超材料可分为不同类别，例如合成超材料、自组装超材料和表面增强拉曼光谱（SERS）超材料，因此不同类型的超材料制备过程也存在差异。
合成超材料合成超材料的制备通常涉及到纳米颗粒的制备，以及纳米颗粒的组装。
这种制备方法的关键是使用合适的溶剂来控制纳米颗粒的聚集，以达到合理的组装结构。
不同形状和尺寸的纳米颗粒可以用不同的化学方法合成，例如溶胀法、定向自组装、溶胶-凝胶法等。
自组装超材料自组装超材料的制备，通常从一系列不同分子的选择开始。
这些分子通常具有一定的自组装性质，可以按照预期结构组装成超材料。
自组装的过程可能会涉及到弱相互作用，例如范德华相互作用、静电相互作用和氢键，这些相互作用可以被用来构建超材料结构，构建具有高度有序结构的纳米复合材料。
表面增强拉曼光谱（SERS）超材料SERS超材料的制备过程通常包括两个主要部分，即制备超材料基底和贵金属纳米柱的制备。
超材料的基底通常是非金属，例如硅、玻璃、金属氧化物等。
贵金属纳米柱则常常由一些超分子模板和还原剂结合制备。
超材料在光学领域中的应用超材料在光学领域中的应用非常广泛，几乎覆盖了所有光学应用。
超材料在这一领域的应用可以从其两个最主要的特性开始，即负折射率和高活性表面。
负折射率负折射率是超材料中最突出的特点之一，它将传统光学理论的一些假设推翻，并且允许人们创造出具有传统材料无法实现的一些特性的光学材料。
负折射率的材料比其他材料有更高的波长选择性，也就是在受到特定频率的光时，材料可以转化为相应的工作状态。
这使得负折射率的材料对于新型线路和其他任务来说非常有用，可以在不影响现有功能的情况下制作更小、更快的电路。
超材料及其光学特性的研究进展超材料是由一种或多种微观单位结构组成的人造材料，其具有超出自然材料的光学、电磁等特殊性质。
近年来，随着纳米技术的不断发展，超材料的研究成为了材料科学领域中的一个热门话题，并在光学、热学、声学、电磁学等方面有了广泛的应用。
本文将对超材料及其光学特性的研究进展进行探讨。
一、超材料的定义和分类超材料是由具有特定形状和排列方式的微观单位结构构成的人造材料，其介电常数、磁导率、折射率等物理参数具有特殊性质。
超材料的制备方式主要有三种：金属纳米颗粒阵列、光子晶体和亚波长结构。
超材料可以分为二维和三维两种。
二维超材料是指材料的微结构沿着两个方向重复，常用的二维超材料有金属光栅和介质光栅；三维超材料是指材料的微结构沿着三个方向重复，常用的三维超材料有金属球阵列和介质球阵列。
二、超材料在光学中的应用超材料在光学领域中的应用主要有负折射率、光学透镜、透明超材料和超折射现象。
负折射率是超材料的一种光学特性，指的是当光线传播时电场和磁场与传播方向成反向变化，从而光线的折射方向与传播方向相反。
这种特性在传统材料中无法实现，但是在超材料中可实现。
负折射率材料可应用于制造超透镜、超分辨显微镜等光学器件。
光学透镜是指能够聚焦光线的器件。
由于超材料的负折射率特性，超材料透镜可以使光线在透镜特定的结构中呈现出可逆转换的波阵面形态，从而实现了大视场、高分辨率的成像性能。
透明超材料是指具有特殊折射率的超材料，其光学性质可以通过材料的结构调控得到。
透明超材料的制备有以下几种方法：金属纳米颗粒阵列、金属光栅、介质光栅、纳米线结构等。
与传统的透明材料相比，透明超材料具有更好的抗反射性能和折射率随波长的可调节性。
超折射现象是指当入射角度为正时，出射角度大于光在真空中的最大折射角，即小于0度。
超材料的超折射现象可以应用于制造超薄壁波导、光学调制器等光学器件。
三、超材料及其光学特性的研究已取得了一系列进展，主要包括以下方面：1、基于超材料的光学器件研究。
利用s参数反演法提取超材料结构的等效参数利用s参数反演法提取超材料结构的等效参数超材料是一种具有特殊结构和性质的材料，它可以通过对电磁波的调控实现许多非常有用的功能，例如负折射、超透镜、隐形等。
为了实现这些功能，我们需要准确地了解超材料的等效参数，即电磁波在超材料中的传播特性。
s参数反演法是一种常用的方法，用于从电磁波的散射参数中提取超材料的等效参数。
s参数是指电磁波在超材料中的散射系数，通过测量散射参数，我们可以反演出超材料的等效参数，从而准确地描述超材料的电磁特性。
我们需要设计一个实验装置来测量超材料的散射参数。
这个装置通常由一个波导和一个天线组成，波导用于引入电磁波，天线用于接收散射波。
通过改变波导和天线的位置、形状和尺寸，我们可以得到不同的散射参数。
在实际测量中，我们可以使用网络分析仪来测量散射参数。
接下来，我们需要使用数学模型来描述超材料的散射特性。
常用的数学模型包括Maxwell方程组、电磁波的传输线方程等。
通过求解这些方程，我们可以得到超材料的电场和磁场分布。
然后，我们可以根据散射参数的定义，将测量到的散射参数与数学模型中计算得到的散射参数进行比较。
在比较过程中，我们可以使用优化算法来调整数学模型中的参数，使其与测量值尽可能接近。
常用的优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法等。
通过不断迭代优化，我们可以得到超材料的等效参数。
我们可以使用提取到的等效参数来设计具有特定功能的超材料器件。
例如，通过调节超材料的介电常数和磁导率，我们可以实现负折射效应，使电磁波在超材料中呈现出逆向传播的特性。
通过调节超材料的结构和参数，我们还可以实现超透镜、隐形等功能。
利用s参数反演法可以准确地提取超材料的等效参数，从而实现对超材料电磁特性的准确描述。
这为设计和制造具有特定功能的超材料器件提供了重要的理论基础和实验方法。
随着科学技术的不断发展，s参数反演法将在超材料研究中发挥越来越重要的作用。
第27卷第10期强激光与粒子束V o l.27,N o.10 2015年10月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S O c t.,2015光学超材料的制备方法与参数提取*李克训1,赵亚丽1,4,江波1,王东红1,王军梅2,3(1.中国电子科技集团公司第三十三研究所电磁防护材料及技术山西省重点实验室,太原030006;2.中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室,太原030001;3.中国科学院大学,北京100049;4.山西大学化学化工学院,太原030006)摘要:在光学超材料研究过程中,其微观结构的控制制备技术至关重要㊂综述了国内外在光学超材料制备方法方面的大致发展历程㊂重点介绍了二维光学超材料的制备技术,并分析对比了各种经典制备方法的优缺点㊂在二维光学超材料制备方法基础上,进一步叙述了三维光学超材料的传统制备和新的研究制备方法㊂简要介绍了均匀介质光学超材料的介电常数㊁磁导率㊁折射率和阻抗等有效电磁参数的提取过程㊂关键词:光学超材料;实验;有效参数;刻蚀;自组装中图分类号: O436文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201527.103233光学超材料是由亚波长结构单元或具有特异电磁特性的超原子组成的人工微纳结构材料㊂随着各个相关领域的发展,包括光磁学[1],光负折射率材料[2],巨大的人工手性[3],超材料非线性光学[4]和电磁隐身斗篷[5]等在内的光学超材料的诸多研究领域受到广泛关注㊂正如材料科学的许多分支一样,光学超材料的研究重点不仅仅是理论分析㊁设计与性能检测,还包括其具体微纳结构的制备技术与结构实现㊂在理论预测和仿真模拟方面,无论具有多么奇特的物理现象,都只有当其结构能够真正得以实现时,才能真正去验证理论推测和模拟结果㊂近年来,随着纳米加工技术的发展,特别是激光器[6]㊁飞秒激光[7]以及先进光学制造技术[8]的出现,使得光学超材料的制备技术得以快速发展㊂由于其结构单元需要控制在光波长范围,即几百纳米,所以相比微波频段的超材料结构,光学超材料的制备更富有挑战性㊂本文将分别叙述二维(2D)和三维(3D)光学超材料的制备方法,并简要介绍光学参数的提取,这将有利于光学超材料的模拟仿真和设计制备㊂12D光学超材料制备2D光学超材料的制备方法,主要包括电子束刻蚀(E B L)[9-11]㊁聚焦离子束(F I B)[12]㊁干涉刻蚀(I L)[13-14]和纳米压印刻蚀(N I L)技术[15-16]等方法㊂1.1电子束刻蚀电子束刻蚀是以电子聚焦束来代替光刻蚀中的光束,通过曝光在样品表面形成所需要的图案[9]㊂在光学超材料领域,大多数具有里程碑意义的研究结果,如负折射现象[10]㊁显著的磁响应[11]和巨大的手性效应[3]等都是通过电子束刻蚀来实现的㊂由于高能电子的德布罗意波长要远小于光波长,可以明显改变E B L系统中由于光的衍射极限造成的斑点,使其可以小到几个纳米,以便得到精细到纳米级别的图案㊂由于E B L为无掩模工艺,图形可以通过软件来控制,使其成为制备平面纳米结构最为普遍的工具㊂其主要缺点是效率低,时间长,价格高㊂因此,不适合制作大面积或批量制备光学超材料结构㊂1.2聚焦离子束与E B L不同,该法是用镓离子聚焦束来实现图形化,加速离子具有几十k e V的能量,足以溅射出样品表面的金属或电介质原子,其离子束聚焦光斑约为10n m,使其成为制造光学超材料的一种替代技术㊂与电子束刻蚀相比,不涉及后处理过程,且操作过程相对比较简单,能在短短20m i n内,制备出面积为16μmˑ16μm 的开口谐振环纳米图形结构[12]㊂虽然F I B法在时间上效率比较高,但其并不是制造高品质光学超材料的首选㊂该过程在本质上是一种破坏和污染过程,过程中高能离子束可以注入到样品表面,导致超材料结构的单元成分和形状发生改变,并进一步造成超材料性能预测与实际观测之间的差异㊂因此,该法在特定设计中可以快速图形化,但不作为2D光学超材料结构的一般性制备方法㊂*收稿日期:2015-05-01;修订日期:2015-07-17基金项目:山西省青年科学基金项目(2014021020-1);预研项目(201262401090404);国家重点基础研究发展计划(2013C B A01700)作者简介:李克训(1982 ),男,硕士,主要从事电磁防护研究;l i k e x u n c c@126.c o m㊂通信作者:王军梅(1986 ),女,博士,主要从事发光与光催化研究;j u n m e i_88@126.c o m㊂103233-1强激光与粒子束E B L与F I B都不适于光学超材料结构的大面积和批量制备,只适合不超过毫米量级尺寸的纳米结构制备㊂1.3干涉刻蚀干涉刻蚀法,又称全息光刻,是一种无掩模周期结构的光刻制备技术㊂通过两个或以上相干光束干涉产生一个驻波,可以记录在光致抗蚀剂上㊂对于制造光学超材料,其显著优点是具备制备大面积图形的能力,能够制备商业光学器件量级面积的超材料薄膜和涂层㊂类似标准光刻蚀技术,该法利用单步曝光替代了缓慢的光栅扫描㊂因此,一个相干光束大小的图形区域可以一次完成,所得图形可以达到c m量级㊂通过该法已经制备出近-中红外波段光学超材料[13-14]㊂但限制I L法成为光学超材料制备通用方法的原因是其仍属于光刻蚀过程,同样受到光波衍射极限的限制㊂所以该法制备的光学超材料多工作在红外区域而不是可见光波段㊂另外,不同于E B L和标准光刻蚀技术可处理几乎任意形状的图形,I L法在周期结构的几何形状方面受到限制㊂1.4纳米压印刻蚀纳米压印刻蚀技术为批量制备纳米结构和降低成本提供了可能[15]㊂该法涉及的模板需要具有纳米尺寸特征并在可控的环境条件下压在软刻蚀剂上,制作过程不受任何衍射或散射效应限制,最小可实现10n m量级的结构㊂而具有大面积渔网结构的金属-电介质-金属结构,在近红外波段可观察到负折射现象㊂该技术成功应用于室温下的红外手性超材料结构制备[16],但很少用于新型超材料结构的制备验证,因为其模版或模具的制备过程相当复杂,往往涉及到其他刻蚀过程,如电子束刻蚀㊁光刻蚀㊁聚焦离子束以及反应离子刻蚀等方法㊂2D光学超材料典型结构基于平面结构或厚度远小于波长的尺寸范围㊂为了充分展现其新颖特性,从平面结构到三维超材料结构的制备尤为重要,因此,必然涉及到对3D光学超材料亚波长和复杂超原子的合成㊂23D光学超材料制备3D光学超材料的制备方法,主要分为自上而下法包括层层堆垛[17-18]㊁双光子光聚合[19-21]㊁电子束直写[22]㊁三维全息光刻[23]等,以及自下而上法如化学自组装[24-27]等两大类㊂2.1层层堆垛许多方法已经提出并验证了足够厚度光学超材料结构的制备,其中一个比较简单的方法就是二维超材料结构的层层堆垛法[17]㊂该法同样可以由标准的E B L过程实现,是朝着制备更厚的超材料结构迈出的重要一步,但并不是制备真正3D光学超材料结构的理想方法,因为其总的厚度一般不超过200n m㊂一方面抗蚀剂厚度不能任意超过电子束处理厚度,另一方面刻蚀过程中会产生非垂直的侧壁,使横截面呈梯形结构,开口处底层比顶层小得多,随着总厚度的不断增加,顶层图形结构尺寸会不断减小,直至为零㊂为了克服这一缺陷,图形平坦法被用来制备多层超材料结构[17],图形化和平坦化过程被重复进行,以产生多个平面层,通过该过程四层呈良好排列的开口谐振环得以制备㊂尽管用平面的电子束刻蚀技术可以通过层层堆叠的方式制备更多层纳米结构,但不能制备出大面积和较厚的真正意义上的三维光学超材料结构㊂除了E B L,F I B也可用于多层光学超材料结构的制造,通过该法已制备出十层呈渔网结构的负折射超材料结构[18]㊂多层金属-电介质超材料结构的E B L和F I B制备过程是平面2D光学超材料制备方法的扩展,但并不能制备任意结构的超原子结构㊂2.2双光子光聚合双光子光聚合法,也被称为激光直写,聚合是通过非线性㊁多光子聚焦过程实现,聚合作用发生在激光束的聚焦点[19]㊂通过控制三维点阵的聚合位置,可以在空间分辨率下制备超衍射极限三维纳米结构;然后以该法得到的三维聚合物结构为骨架,进行涂敷金属过程以完成金属纳米结构制备,最终结构包含了金属和电介质单元㊂该金属化工艺通常是通过电解电镀的方式沉积完成,是比较灵活的金属化方法[20]㊂许多具有小于1μm 特征单元的复杂结构光子晶体已由激光直写法实现㊂相比于该法在光子晶体中的应用,制备块体的光学超材料结构则更富有挑战性㊂因为在同一波长下,超材料结构特征尺寸要小于光子晶体结构㊂大多数超材料结构要求单元结构中含有金属成分,这是蒸发或溅射等常规金属化方法不易实现的㊂除了以上几种金属化方法外,新的金属化聚合物骨架的方法如化学气相沉积已得到验证[21],并且可以进行特定区域的金属化操作㊂2.3化学自组装利用通过可控化学过程的自组装或自组织法,能够产生几乎所有图案的堆垛结构㊂此法成本较低,但所有103233-2103233-3的自组装都是非常具体的,尤其是一些特定的阵列结构对材料有严格的限制㊂尽管如此,已经出现了实验验证的自下而上的自组装法制备光学超材料,如自组装蛋白石作为多功能模板,可以向其中填充的客体材料包括金属㊁半导体和绝缘体等等[24],这种模板法已经成功用于硅光子晶体和三维空心银球阵列的制备,它们都是采用聚合物胶体晶体为模板[25]㊂另外,还有组装而成的负折射材料是基于自组织的多孔氧化铝和金属电镀模板合成的[26]㊂能够实现自组装的方法很多,张日东等[27]通过提拉法自组装S i O 2膜并研究了厚度与折射率的变化规律,该法同样也可以用于多层三维纳米结构的组装㊂2.4 其他方法其他制备3D 金属-电介质光学超材料纳米结构的方法主要包括电子束直写[22]㊁聚焦离子束化学气相沉积[28]㊁三维全息光刻等[23]㊂其中有些方法可能会受到材料和几何结构的严格限制,但它们已经成功用于三维光子晶体结构的制备,也同样可以用于精细3D 光学超材料结构的实现㊂另外,还有等离子刻蚀以及以上几种方法的结合使用,潘鑫等[29]正是采用等离子体刻蚀与化学气相沉积相结合的方法对金刚石膜刻蚀效果与影响机理进行了研究㊂3 提取材料参数对于给定特定结构的光学超材料,其中最重要的任务之一就是提取有效参数,包括由实验观测的介电常数ε,磁导率μ,折射率n 和阻抗Z ㊂一般情况,所有这些参数都包含实部和虚部两部分㊂四个参数可分成两组,一组是介电常数ε和磁导率μ,如式(1)㊁式(2),可直接代入麦克斯韦方程组㊂D =ε0εrE (1)B =μ0μr H (2)另外两个量折射率n 和阻抗Z ,更方便描述不同材料边界处的波现象㊂两组参数通过式(3)㊁式(4)关联㊂ε=n /Z(3)μ=nZ (4)严格来说,所有这些变量是与频率相关的㊂获取超材料的有效参数最简单的方法之一是所谓的(R ,T )法㊂其中只需要观测法向入射光入射特定厚度介质的反射率R 和透射率T ㊂R ,T 和折射率n 之间的关系由广义的菲涅耳定律描述,包括不同界面的相干条件㊂另一个方法是在垂直入射谱下,仅测量R (ω)或T (ω)光谱,然后进行克拉默斯-克朗尼(K r a m e r s -K r o n i g )关系转换㊂当样品是非透明时只有R (ω)被测量㊂然而,如果仅有一些特定的反射谱线,还必须采集幅度和相位信息㊂对于一般超材料来说,至少有四个变量需要确定㊂无论介电常数ε,还是磁导率μ,都有未知的实部和虚部㊂也可以利用折射率n 和阻抗Z 表征,如式(5)㊁式(6),同样存在实部n ᶄ与Z ᶄ和虚部n ᵡ与Z ᵡ四个未知变量,因此这些变量需要通过试验去提取有效参数来获取㊂考虑垂直入射厚度为d 的均匀介质板,假设板在真空中,则复透射系数t 和复反射系数r 与阻抗Z 和折射率n 有关,如式(7)㊁式(8)㊂n =n ᶄ+i n ᵡ(5)Z =Z ᶄ+i Z ᵡ(6)t =[c o s ()n k d -i 2(Z +1Z)s i n (n k d )]-1(7)r =-i 2(Z -1Z)s i n (n k d )t (8)式中:k =2π/λ0是自由空间波矢,能够通过菲涅耳公式简单求和得到;t 等同于传统透射系数乘以因子e i k d,是归一值[30]㊂由式(7),(8)可得式(9),(10)㊂由于平方根和三角函数的存在,需要综合考虑ε,μ,n 和Z 之间的因果关系,使得式(9)的解唯一确定,同理求得n 解㊂Z =ʃ1+()r 2-t 21-()r 2-t éëêêùûúú21/2(9)c o s ()n k d =1-r 2+t22t(10)当得到n 和Z ,则可由式(3)㊁式(4)可得到另一组材料参数㊂李克训等:光学超材料的制备方法与参数提取强激光与粒子束从复透射系数t和复反射系数r中提取有效参数的方法,不仅有利于实验数据的处理,还是超材料仿真和建模不可或缺的工具㊂但该处理过程是基于理想化均质模型而展开的,而实际中纳米结构的堆垛往往存在明显的各向异性,这就给微纳米结构电磁参数的提取带来困难,或提取的参数与实际情况存在较大差异㊂4结论针对光学超材料的理论分析㊁仿真模拟以及新颖物理特性的研究开展广泛,并取得丰硕成果㊂但光学超材料的实际应用却很少,其中主要原因之一便是光学超材料的设计与制备技术的局限㊂随着相关技术的发展和科学工作者研究的不断深入,光学超材料的设计和制备技术必将走向成熟,实现精确化㊁批量化和大面积光学超材料结构的制备,从而推动其实际应用㊂参考文献:[1]L i n d e nS,E n k r i c hC,W e g e n e rM,e t a l.M a g n e t i c r e s p o n s e o fm e t a m a t e r i a l s a t100t e r a h e r t z[J].S c i e n c e,2004,306(5700):1351-1353.[2]D o l l i n g G,W e g e n e rM,S o u k o u l i sC M,e t a l.N e g a t i v e-i n d e xm e t a m a t e r i a l a t780n m w a v e l e n g t h[J].O p t L e t t,2007,32(1):53-55.[3]P l u m E,F e d o t o vV A,S c h w a n e c k eAS,e t a l.G i a n t o p t i c a l g y r o t r o p y d u e t oe l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g[J].A p p lP h y sL e t t,2007,90:223113.[4]K l e i n M W,E n k r i c hC,W e g e n e rM,e t a l.S e c o n d-h a 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hP o w e rL a s e r a n dP a r t i c l eB e a m s,2014,26:074001)[30]S m i t hDR,S c h u l t z S,M a r k o s,e t a l.D e t e r m i n a t i o no f e f f e c t i v e p e r m i t t i v i t y a n d p e r m e a b i l i t y o fm e t a m a t e r i a l s f r o mr e f l e c t i o na n d t r a n s-m i s s i o n c o e f f i c i e n t s[J].P h y s R e vB,2002,65(19):195104.P r e p a r a t i o nm e t h o do f o p t i c a lm e t a m a t e r i a l s a n d p a r a m e t e r e x t r a c t i o nL iK e x u n1, Z h a oY a l i1,4,J i a n g B o1, W a n g D o n g h o n g1, W a n g J u n m e i2,3(1.T h e E l e c t r o m a g n e t i cP r o t e c t i o n M a t e r i a l s a n dT e c h n o l o g y K e y L a b o r a t o r y o f S h a n x i,N o.33R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n aE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n,T a i y u a n030006,C h i n a;2.S t a t eK a y L a b o r a t o r y o f C o a lC o n v e r s i o nI n s t i t u t e o f C o a lC h e m i s t r y,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,T a i y u a n030001,C h i n a;3.U n i v e r s i t y o f C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,B e i j i n g100049,C h i n a;4.D e p a r t m e n t o f C h e m i s t r y a n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g,S h a n x i U n i v e r s i t y,T a i y u a n030006,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h e o p t i c a lm e t a m a t e r i a l s r e s e a r c h p r o c e s s,i t i s e x t r e m e l y i m p o r t a n t t o c o n t r o l a n d p r e p a r e t h em i c r o s t r u c t u r e o f o p t i c a lm e t a m a t e r i a l s.T h i s p a p e r r o u g h l y r e v i e w s t h e d e v e l o p m e n t h i s t o r y o f p r e p a r a t i o nm e t h o d s o f o p t i c a lm e t a m a t e r i a l s a-b r o a d.T h e p r e p a r a t i o n o f t w o-d i m e n s i o n a l o p t i c a lm e t a m a t e r i a l sw a s h i g h l i g h t e d,w h i l e t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f v a r i-o u s c l a s s i c p r e p a r a t i o nm e t h o d sw e r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d.O nt h eb a s i so f p r e p a r a t i o no f t w o-d i m e n s i o n a l o p t i c s,t r a d i t i o n a l a n dn e w m e t h o d s o f p r e p a r i n g t h r e e-d i m e n s i o n a l o p t i c a lm e t a m a t e r i a l sw e r e f u r t h e r d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r.T h e p r o c e s s o f e x t r a c-t i n g t h ee f f e c t i v e p a r a m e t e r si n c l u d i n g e l e c t r i c p e r m i t t i v i t y,m a g n e t i c p e r m e a b i l i t y,r e f r a c t i v ei n d e xa n di m p e d a n c eo fo p t i c a l m e t a m a t e r i a l sw a s i n t r o d u c e d.K e y w o r d s:o p t i c a lm e t a m a t e r i a l s;e x p e r i m e n t a l;e f f e c t i v e p a r a m e t e r s;l i t h o g r a p h y;s e l f-a s s e m b l yP A C S:81.05.X j;78.67.P t;42.70.-a103233-5。
