论文翻译——柔性超表面超材料

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1、柔性超表面和超材料：微、纳材料及其制备工艺Flexible metasurfaces and metamaterials: A review of materials and fabrication processes at micro- and nano-scalesSumeet Walia,Charan M. Shah, Philipp Gutruf, Hussein Nili, Dibakar Roy Chowdhury, Withawat Withayachumnankul,Madhu Bhaskaran, and Sharath Sriram三碗 译摘要: 使用柔性基板的超材料具备可

2、弯曲、拉伸、旋转的特性，这为电磁波的控制提供了 新的方向，并且为新功能和设计的研发提供了依据。本文综述了基于柔性可塑基板的THz、 可见光频段的超材料及其加工技术，并且提及了设备的调谐方法。在论述加工工艺及处理技 术之后，文章中给读者总结出了适合柔性超材料基板的电磁和机械特性，并提到了用于实现 超材料可调谐性的新方法。把超材料变成可实际应用的设备已是大势所趋。引言: 超材料是一种亚波长工程结构的电磁材料，通过特殊设计，它可以展示出入射电磁 波电磁的耦合。这让超材料具备了一些特性，比如异常反射及折射、完美吸波和亚波长聚焦 等。但是，由于缺少稳定可靠的调谐技术，超材料广泛应用的脚步被长期的制约着。

3、可协调 性可以通过操作控制材料和入射波的交互作用来得到，以此来达到所需的波的传播、反射及 吸收。尽管超材料设计的几何可测性给了超材料过去几十年的辉煌，如果所使用的材料是柔 性的，对于t Hz方面的应用，如隐身、传感、超透镜（一种拥有在衍射极限下分辨率的透 镜）、芯片上光子及光电子器件、完美吸波器和能量收集可以得到很好的改善。柔性器件依 赖于较低的表面能量复合材料而实现，如聚二甲基硅氧烷橡胶，它可以粘附在一些等角的表 面以便组合到弯曲的表面、表皮或者包装材料上面，而不仅仅是用在坚硬平整的面上。超材 料的柔性表现可以使它来做有轻量透明要求的物体的包装。同样的，超材料的应用打开了一 个新的篇章，如遥

4、感技术、可调光学频率谐振器等。柔性也可以用来获得可调的超材料，这 与材料基片特性紧密相关。另外，功能超材料与合适基片的结合，有望把t Hz阶超材料从 二维设计带到三维结构上去。拥有柔性、可塑形基片的超材料也可以用在不平整的表面上。如何有效拓展超材料这一优势，基片介电常数是关键。同时，超材料的这种结构可以调 谐及加强波的传输或反射响应。同样地，将传统的微纳技术应用在这种柔性可塑形基片上也 展现出很大的突破：造出了可以轻松放进人体的传感器、覆盖不平整表面的隐身层、负指数 材料、生物分子传感器、等离子设备和吸波器。关于这个主题的近期综述突出了超材料重要意义的发展潜力和合成技术的发展态势。刘 等研究人

5、员所发表的一篇关于亚波长超材料综述了亚波长可调谐超材料，它的可调谐性由机 械形变和晶格位移而产生。同时，另外的文章也综述了基于近场耦合和非线性原理的应用的 可调谐性。另外还有很好的文章包含了别的方面，如：设计、激励、超材料的机械形变以及 可调谐能力的存在。然而，据我们所知，并没有一篇全面综述了柔性超材料基片特性、加工 及调谐科技的文章。本文论述了使用柔性可塑形基片来调谐超材料的谐振频率,批判地比较了各种应用了柔 性基片和复合材料材料的电磁及机械特性，评估了包含近期3D方法在内的柔性超材料的精 确制造技术。最后，展望未来，引出基于弹性材料的应用：调谐的可逆性。超材料中的柔性基片柔性基片给探索由机

6、械形变引起的超材料特性提供了理想的平台。柔性材料在超材料中 的应用所展示出的新功能引起了世界范围的关注。这种弹性基片之所以引起人们特别的兴趣 在于它的可以通过机械形变而得到很大范围的频率调谐的特性，因此可以摒弃传统上为达到 同样目的所需的外部激励和偏压。用在弹性基片上的共鸣器结构展示出对结构因子很高的敏 感度，它可以对很小的尺寸改变而很容易做出响应。这种机械调谐超材料已被证实应用在了 无线传感装置、生物分子传感装置及吸波器上。在超材料中普遍应用的弹性基片是聚二甲基硅氧烷橡胶和聚酰亚胺，主要是因为它们在 柔性电子方面的广泛应用。还有一些其他的柔性基片如Metaflex （使物体在较长波长中隐 身

7、）、聚乙烯萘、聚对苯二甲酸乙二醇脂、聚甲基丙烯酸甲脂和聚苯乙烯。电磁特性尽管超材料的电磁特性继承于亚波长谐振器的设计,但这也不排除超材料的成分对其的 影响。为了优化超材料的电磁特性，基片的选取以以下要素为基准：1,低介电常数，用来 维持谐振强度，形成宽带超材料；2,低吸收（吸收系数），使透过或沿着基片传播的波强 度最大化。选用低的折射率可以减小基片上的反射损失。折射率n和介电常数8有着密切的 联系：n = 1?。一些常用复合材料基片的重要电磁特性展示在表1里面。工艺和机械特性复合材料可以提供广泛的可选特性来制备合适的、大面积的、低价的柔性超材料。各种 各样的复合物基片被研究用来满足各种微波频率

8、的弹性超材料的设计。通过旋转涂层、热处 理、微加工技术等方法，这些弹性复合材料可以很轻易的加工出来，从而用于超材料基片的 选择。微纳加工技术如光刻（接触式、可见光、软光刻和掩模光刻）、激光刻印、制模、铸 造和转印都被证实已经用在基于复合材料的超材料中了，关于这一方面我们将在后面做更详 细的讨论。基片的机械特性（其杨氏模量为基准）对于确定它们在可机械调谐超材料的发展中的活 性十分的关键。具有较低杨氏模量的基片可以承受更大的机械形变，具有很好的可逆性及可 重复性，因此可以承担更基础的调制及更高要求的谐振模式。然而，制造工艺对于柔性基板 的选择有着特殊的要求。这些要求中包含了高温沉积和退火的需求以及

9、需要满足在高度平坦 表面来进行光刻或者类似的刻图技术。表1中列出了一些对于超材料常用的复合材料基板的 机械特性。基于实践应用和工作频率的机制，具有低吸收系数和期望的机械特性的柔性基板 将会担当重任。超材料制造工艺中的复合材料在多种复合材料被利用的同时,有三种复合材料由于它们本身的特性而特别的受研究者 的欢迎。这一部分我们将讨论这几种材料的主要特性及其限制。聚二甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷是一种弹性聚合物，有其独特的属性如低能表面、生物相容性以及良好 的韧性和弹性。通常它的工作温度在50到200摄氏度。作为一种柔软的柔性复合材料，聚 二甲基硅氧烷可以很容易的与非平整表面结合，并且具有很高的一致性。它

10、对传统的和像软 光刻和压印这样的先进的微纳加工技术的兼容性更加的突出了它的优势。聚二甲基硅氧烷的 比较低的杨氏模量（7.5*10-4GPa）和低的吸收率（13cm-i/1 THz）的特性让它成为了一种很 适合柔性、可调谐超材料的基片。它的高弹性的特性（最多达120%可逆的拉伸）使其成为实现超材料机械调谐的可行的 一种基片。它独有的特性和比较宽波段的透明性让它可以满足超材料对宽带宽的应用。它的 低能表面这一特性已经被用在有效的传输透明氧化物如氧化铟锡和氧化锌，它们展现出在很好的稳定性并且在氧化型可调谐超材料器件方面具有很好的潜质。在聚二甲基硅氧烷上压印结构材料的可能性为多层、3D超材料设计开辟了

11、巨大机会，这一应用可以 用来设计更加复杂的谐振装置。聚二甲基硅氧烷具有很高的热膨胀系数（TEC）3.1*10-4/C，这可以通过沉积金属薄膜 而确定谐振器或者波导是弯曲还是表面微皱。这种问题可以通过在沉积过程中精确控制样品 温度或者对封装加同等的压力来改善。最近的一篇文章预测，这种自有序模式而在聚二甲基 硅氧烷上形成的曲面金属膜将会在光学和应变分析设备中实现应用。除去聚二甲基硅氧烷的一些可取的特性，它同样也遭受着对温度高灵敏特性（由于太大 的TCE）的侵害，或许微小的温度变化就会引起超材料几何形状的改变。另外，当铺光刻胶 时，聚二甲基硅氧烷的疏水特性会导致光条纹的出现，这就需要额外的处理（如等

12、离子表面 激活）来完成微工艺制备，特别是对于多层结构。聚酰亚胺聚酰亚胺（得名于其商业特性聚酰亚胺薄膜）是一种在电子设备方面应用很普 遍的柔性基板，比如柔性太阳能电池、内部连线和超材料。它们可以使超材料具备柔性、独 立性的特点，工作在THz频率区间，具有很高的负折射率，且在双波段处实现近完美吸收。聚酰亚胺的杨氏模量为2.5GPa（见表1），符合微加工技术的标准，它在制作柔性超材 料方面的潜质源于其对金属表面很强的附着性，这种附着性也为其提供了很高的应变位移 度。通常聚酰亚胺的使用温度在-269C到400oC，有很高的玻璃转化温度（见表1）,这也 让它可以接受金属在高温下的物理沉积技术，包括溅射技

13、术、电子束蒸发沉积和脉冲沉积技 术。另外，它本身具有较低的导热率，由此，即使是在很高的温度下，它也能和金属或氧化 物具有很高的一致性。它对光刻胶有着强的粘附性,且在刻蚀金属薄膜时候可以抗酸的腐蚀， 这种特性让它可以用于传统微加工技术制造THz超材料来提高图案刻印分辨率。然而，基于 杨氏模量，它的弹性系数比较低（小于4%），这也限制了 THz超材料的可调谐性，通过机 械变形也可以略作改善。只有在高温（400oC）下聚酰亚胺才能与聚合物基体交联，这就给 某些材料带来了复杂的因素。聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）聚对苯二甲酸乙二醇脂是另一种已经被开发的柔 性基板，它被用来做RFID的膜、LCD的显示器

14、表层和电容式触摸传感器阵列。聚对苯二甲酸乙二醇脂具有较高的介电常数（2.86）、较宽的使用温度范围（-80oC到 180oC）、较高的玻璃转化温度（78 C）低的热膨胀系数、对光刻胶和金属有强的附着力， 这些特性让它成为了制造柔性超材料的很好的选择（见表1）。PET薄膜在可见光范围是平 面透明的，在THz范围它的电磁特性和PDMS及聚酰亚胺很相似。上述特性可见PET具有PDMS 和聚酰亚胺的共同属性，但是并没有它们所具有的局限性。然而，PET的成本很高且易受到 剪切热的影响。总的来说，PET已经研究用来制造可以在近红外频谱使用的柔性结构，并且它是通过机 械形变来调节的。制造工艺超材料的加工技术

15、已经达到了很高的水准，可以在非常规基板上做微纳尺度的加工。高 分辨率纳米加工方法的出现比如纳米光刻技术已经可以一次性使纳米图案刻在一个大范围 的柔性基板上面，并且这促成了非常规超材料及光子系统的出现。随着对柔性材料上金属、 电解质等硬质材料的深入理解，以及科技的进步，在多科学领域的交叉中实现了纳米尺寸在 柔性延展设备上的使用。这种多学科技术在快速的综合发展，使那种可以实现宽的频谱可调 谐的柔性超材料得以制造出来。这些技术使得电磁设备得到新的发展，也引发了感测领域中 科学技术的更新。在图1中展示的就是一个典型的例子，它就是使用微细加工原理所制造的在THz频率工作的超材料。材料常数(0.2 -2.5)THz损耗因子t ana杨氏电阻模量使用温欧姆E度(Q )(Gpa)固化 条件玻璃化转变温综合评价参数Tg聚二2.30.020 - 0.132.9X7.54527 C,-125中等53, 94甲基5061014X20024h或硅氧10-470 C,烷1h聚酰3.20.031121.7X2.5-269180 C350好95亚胺41017400,30mi聚对2.80.053-0.0254.0-80