一种三维超材料的非线性磁响应

智能超表面技术展望与思考作者：马红兵张平杨帆王欣晖张建华刘秋妍来源：《中兴通讯技术》2022年第03期摘要：智能超表面（RIS）技术具有低成本、低能耗、可编程、易部署等特点。

通过构建智能可控无线环境，RIS有机会突破传统无线通信的约束，给未来移动通信网络带来一种全新的范式，因此具有广阔的技术与产业前景。

认为在当前和未来的落地应用中，需要厘清智能超表面技术在理论模型、应用技术、工程化研究和标准化推进等方面面临的诸多问题与挑战。

关键词：5G-Advanced；6G；RISAbstract： Reconfigurable intelligent surface （RIS） is a technology with low cost， low energy consumption， programmable， and easy deploy？ ment characteristics， which can reconstruct wireless environment dynamically. Hence， RIS is viewed as a potential key technology to break through the restriction of traditional wireless communication and bring a brand-new paradigm to the wireless network in the future. Now， it is necessary to clarify the problems and challenges in the theoretical model， application technology， engineering research， and standardiza？ tion of RIS implementation in the current and future.Keywords： 5G-Advanced； 6G； RIS1研究背景随着无线网络容量需求的持续快速增长，未来十多年，无处不在的无线连接将会成为现实，“通信-感知-计算”一体化的网络也将可能实现，但高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成为未来无线网络面临的关键问题[1]。

超材料研究的现状与未来发展方向超材料是一种特殊的功能材料，由多层次、多结构单元组成，具有极强的负折射、正折射等光学性质，是当前材料科学的热点之一。

随着材料科学、微纳加工技术等领域的不断发展，大量的实验和理论研究表明，超材料研究有巨大的应用前景，将有助于推动光电信息、医学诊断、能源、环境等领域的发展。

超材料的研究起源于20世纪80年代的“左手材料”（Left Handed Material，简称LHM），这是一种能完全反向地传播电磁波的介质特性。

1999年，英国华威大学的Smith 等人通过仿生学的思想，首次发明了一种3D的超材料模型，从此超材料研究在学术界和工业界掀起了一股风潮。

随着相关技术与理论的不断提高，超材料的制备、性质控制和应用研究都取得了长足的进步。

现状分析超材料的制备和性能研究是超材料领域研究的两个核心方向。

制备超材料的方法主要包括：微结构制备法、自组装法、纳米加工法、等离子体激发法等。

微结构法是微纳加工技术的一种，将微纳米制造工艺与高分子材料的气体成态制备技术相结合，通过有序分子层间的结构组装方法得到稳定的超材料结构。

这种方法的优点是制备成本低，包容性强，适用于加工复杂多样的结构，由于其制备精度高，使用寿命长，被誉为新一代微纳加工技术的重要方向。

自组装法通过小分子自聚合的自组装作用，将分子组织成有序的二、三维结构，进而得到超材料结构。

由于这种方法制备方便、适用性强，目前是制备超材料的主要方法之一。

但是，自组装法的制备参数很难控制，取决于温度、湿度、浓度、PH值等多种因素，还存在结构复杂、温度敏感和成本较高等问题。

纳米加工法指通过利用纳米尺度下的物理化学性质，对超材料单元进行微调制，达到控制超材料性质的目的。

该方法制备高效、性能稳定，通常使用电子束、离子束、光纤激光等技术加工制备，可以制备出具有多重功能的超材料结构。

同时，随着3D打印技术的不断发展，超材料的制备也得到了显著的提高。

通过3D打印技术，可以直接利用电子束、激光束、紫外线等技术将各种介质结构打印出来，通过多次叠加，最终形成复杂的超材料结构。

超磁致伸缩材料的非线性模型基于超磁致伸缩材料和光纤光栅电流传感系统的测量原理是超磁致伸缩材料在待测电流产生的磁场作用下发生磁致伸缩，产生应变，通过粘贴在磁致伸缩材料上的光纤光栅感知该应变进而实现电流的间接测量。

显然，传感系统灵敏度会因超磁致伸缩材料特性的不同而不同。

超磁致伸缩材料是非线性铁磁功能材料，其应变不仅与外加磁场有关，还与施加于材料的预应力以及环境温度有关，即超磁致伸缩材料在工作中对磁场、应力和温度表现出很强的非线性和磁-机械-热耦合特性，因此，建立能够真实反映超磁致伸缩材料磁-机械-热耦合机制的非线性模型是相应器件设计并有效发挥其功能的关键。

表2.1超磁致伸缩材料Terfenol-D与压电陶瓷物理性能对比Table 2.1 Physics properties of GMM (Tbi.x Dy x Fe2.y)性能(单位) Terfenol-D 材料压电陶瓷材料室温应变量Strain(10-6) 1000—1500800密度Density(g/cm3)-9.25〜7.5杨氏模量Yang's Modulus(GPa)25〜3546〜76.5居里温度Curie Temperature(℃)380±40300, 130〜400比热Special Heat (kJ/kg.K)0.350.42能量密度Energy Density(kJ/ m3)14〜250.96〜1.0, 0.65热膨胀系数Coefficient of Thermal12 X IO-6 2.9X10-6Expansion。

」)电阻率Resistivity(W.m)58〜130X10-61X108声速Sound Speed(m/s)1640〜19403130热导率Conductivity(W/m.k)13.5〜300相对磁导率Relative Permeability3〜10_____机电耦合系数K33 coupling Factor0.80.7抗拉伸强度Tensile Strength(MPa)2876抗压强度Compressive Strength(MPa)700■■■■■响应速度Response Time RS lOps“超磁致伸缩材料"(Giant Magnetostrictive Material-GMM)是美国的 A.E.CIark等人于1974年研制的在常温和低场(〃o〃s<O3T)下具有很大的磁致伸缩应变(应变量高达1500~2400 ppm)的稀土合金材料。

陈徐博士Carbon发表关于石墨烯太赫兹超材料器件
的最新研究成果
 近日，中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室研究员范文慧课题组，在太赫兹超材料功能器件方面的最新研究成果，以Multiple plasmonic resonance excitations on graphene metamaterials for ultrasensitive terahertz sensing为题，在线发表在Carbon上，论文第一作者为博士研究生陈徐。

 论文提出并研究了一种利用石墨烯构建的三维太赫兹超材料结构，通过与太赫兹波的相互作用，可以实现多个等离子体共振模式激发；论文首次提出将这种具有多个等离子体共振模式的三维超材料结构应用于太赫兹传感，具有很高的传感灵敏度，可实现多频段太赫兹波超灵敏主动传感和多频带完美吸收功能，为太赫兹传感研究提供了一种创新方法。

太赫兹波主要指频率在0.1THz~10THz的电磁波，位于红外波与微波之间，处于宏观电子学与微观
光子学的过渡区域，具有很多独特特性，例如光子能量低、穿透性强、频谱覆盖有机分子和生物大分子的分子振动和转动能级等，有助于开发全新的光谱分析和无损检测技术，实现在材料特性检测、微电子测试、医学诊断、环境监控、化工和生物识别、军事国防等方面的应用。

 然而，自然界的常规材料很难在太赫兹频段产生有效的电磁响应，在。

超材料的制备方法及其性能分析超材料是一种具有特殊物理性质的人工制造材料，通过将不同种类的微观结构排列组合起来，能够展现出纳米级别下的非线性光学、电磁透镜效应和超传感特性等独特的物理特性。

随着纳米技术和先进制造技术的不断进步，许多新的制备方法逐渐被发现和优化，并且取得了许多重要的应用，比如用于太赫兹波段的高效介质和透镜等。

本文将对超材料的制备方法及其性能表现进行详细分析。

一、超材料的制备方法超材料的制备方法可以分为单元法、浸渍法、离子束刻蚀法、激光写入法、自组装法、等。

这些方法各自具有特点和适用范围，可以根据应用需求进行选择和改进。

1、单元法单元法是一种通过将多个不同形状或大小的单元组合成具有所需特性的超材料的方法。

在这种方法中，不同形状的“单元”可以是各种尺寸和形态的微纳米结构，比如金属球、纳米棒、纳米负折射材料等。

这些微结构会影响超材料中的电磁波行为，进而影响其性能。

单元法制备超材料的方法简单直接，可以利用各种微纳加工技术进行制备。

近年来，基于该方法的三维超材料亦日渐成熟，比双层结构具有更广泛的应用领域。

2、浸渍法浸渍法是一种通过将合适的纳米晶体或微小颗粒浸泡到覆盖基质的液态材料中，形成超材料的方法。

这种方法易于控制和调节，同时也能够制备出复杂的多层超材料。

例如，可以通过在高折射率微球的外部覆盖有机高分子浸渍物，形成具有负折射率的超材料。

但其中重要工艺管理和实现有極高要求，一些大規模的方法仍待研究与改进。

3、离子束刻蚀法离子束刻蚀法是一种先通过黄光或电子束曝光形成微结构，接着形成蒸发掩膜，以后通过离子束刻蚀方法，去除掩膜不需要的局部材料，形成超材料的方法。

该方法可以高精度制备各种形状的超材料结构，用于太赫兹波导等正确科技领域。

4、自组装法自组装法是一种自发形成具有超材料特性的方法，这种方法是一种通过利用分子自组装能力制备超材料的方法。

在该过程中，各种微结构组成可以被突出的排列，从而自发的从单分子到微中構建超材料本身。