金屬-電介質(zhì)體系的雙負(fù)性質(zhì)及調(diào)控.pdf

1、本課題以近年來興起的雙負(fù)材料為研究對象。雙負(fù)材料是指介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時為負(fù)的介質(zhì)。由于電磁波在雙負(fù)材料中的傳播方式與在傳統(tǒng)介質(zhì)中截然不同，電磁波的電場、磁場及波矢方向遵循左手定則，即電磁波中能量傳播方向與波矢方向相反，因此雙負(fù)材料也被稱之為“左手材料”。
　　 雙負(fù)材料這種獨(dú)特的電磁波傳播特性可以被廣泛的應(yīng)用于國防、通訊、光學(xué)成像等領(lǐng)域。例如，J.B.Pendry基于雙負(fù)材料中所獨(dú)有的負(fù)折射現(xiàn)象，首次提出了“完美透鏡”(Per

2、fectLens)的概念，“完美透鏡”能夠克服傳統(tǒng)透鏡存在的衍射極限，能夠極大的提高光學(xué)成像設(shè)備的分辨率，實(shí)現(xiàn)分子甚至更小尺度的光學(xué)成像。
　　 本課題以在金屬/電介質(zhì)體系實(shí)現(xiàn)雙負(fù)性質(zhì)為主要研究目標(biāo)，一方面以金屬陶瓷為主要研究對象，探索非陣列型雙負(fù)材料，利用選擇性還原法制備金屬陶瓷，并研究其高頻電磁性能，通過合理構(gòu)建模型對其電磁學(xué)響應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行理論分析及計(jì)算，揭示雙負(fù)機(jī)理。同時，針對陣列型雙負(fù)材料存在的高制備成本問題，探索如何優(yōu)化

3、陣列型雙負(fù)材料的制備工藝，降低制備成本，為雙負(fù)材料的大規(guī)模制備提供實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。
　　 主要研究內(nèi)容包括金屬陶瓷與金屬/電介質(zhì)周期性結(jié)構(gòu)陣列的制備，微觀結(jié)構(gòu)表征以及高頻電磁性質(zhì)的調(diào)控，通過理論及實(shí)驗(yàn)研究建立材料微觀結(jié)構(gòu)與高頻電磁性質(zhì)之間的聯(lián)系，對金屬陶瓷與周期性結(jié)構(gòu)陣列中雙負(fù)性質(zhì)產(chǎn)生的基本原理進(jìn)行對比分析，獲得金屬/電介質(zhì)體系雙負(fù)性質(zhì)的規(guī)律。具體包括探明金屬陶瓷中金屬顆粒的粒徑、形貌、體積分?jǐn)?shù)及其在陶瓷基體中的分布和界面狀態(tài)對

4、電阻率、復(fù)介電常數(shù)等物理性能的影響，揭示金屬陶瓷雙負(fù)性質(zhì)的機(jī)理，優(yōu)化材料組分，改進(jìn)復(fù)合材料制備工藝，為獲得在某些領(lǐng)域有重要應(yīng)用價值的微波段雙負(fù)材料提供依據(jù)。同時采用脈沖激光沉積結(jié)合掩膜板的方式，制備金屬/電介質(zhì)周期性結(jié)構(gòu)陣列。以周期性陣列在紅外頻段的光學(xué)性質(zhì)及其調(diào)控為主要研究內(nèi)容，以經(jīng)典電磁理論為基礎(chǔ)建立理論模型，通過研究結(jié)構(gòu)陣列中紅外頻段電磁波的傳播行為，探討結(jié)構(gòu)單元的物理性質(zhì)、形狀、尺寸以及體積分?jǐn)?shù)等對周期性陣列電磁性質(zhì)的影響，為有

5、效設(shè)計(jì)構(gòu)建周期性結(jié)構(gòu)陣列及其電磁響應(yīng)特性的調(diào)控提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　 本課題通過低溫選擇性還原及脈沖激光沉積，分別制備了金屬-電介質(zhì)無序二元復(fù)合材料及金屬-電介質(zhì)有序二元超構(gòu)材料，并利用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、穆斯堡爾譜儀、原子力顯微鏡、紅外傅里葉變化光譜儀等手段，對所得材料的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)與磁導(dǎo)率等性質(zhì)進(jìn)行分析表征，研究結(jié)果表明，
　　 (1)在金屬陶瓷的低溫還原制備過程中，燒結(jié)體中熱力學(xué)穩(wěn)定的

6、Fe-Al-O固溶體基本不參與反應(yīng)，含量變化不大;熱力學(xué)不穩(wěn)定的Fe2O3為主要反應(yīng)相，被還原為單質(zhì)Fe及亞穩(wěn)含鐵相，F(xiàn)e3O4或FeAl2O4亞穩(wěn)含鐵相的形成取決于金屬陶瓷中的鐵鋁比。經(jīng)過還原反應(yīng)后，金屬陶瓷內(nèi)部形成了由富鐵區(qū)域與富鋁區(qū)域組成的微納雙復(fù)合結(jié)構(gòu)，富鐵區(qū)域?yàn)镕e/Fe3O4納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，富鋁區(qū)域?yàn)镕eAl2O4/(FexAl1-x)2O3納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。
　　 (2)通過在非磁性Al2O3基體中負(fù)載磁性金屬顆粒Fe，

7、能夠在金屬陶瓷中實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)及負(fù)磁導(dǎo)率，該雙負(fù)性質(zhì)的獲得與金屬陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)有緊密的聯(lián)系。在較高金屬含量的金屬陶瓷中，金屬組分相互連接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，電子能夠在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中自由移動，金屬陶瓷表現(xiàn)出類金屬特性，從而借助自由電子的等離體振蕩實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù);負(fù)磁導(dǎo)率則是通過存在于金屬陶瓷中的等效LC諧振行為獲得。
　　 (3)通過在超構(gòu)材料的制備過程中，利用金屬絲網(wǎng)代替掩膜板，簡化了工藝流程，成功利用脈沖激光沉積制備了FeNi/S