石墨烯用於隱形斗篷的先期研究_電磁 (#50*) *規劃中

2015-6-30

開始對「超材料」有興趣是源於群里某個博班生對石墨烯的「等離子體」的討論，才發現這根隱身衣有關連。利用自然界物質將很難實現負折射率，Pendry 提出用次波長的人造金屬結構來達成，而這些次波長的人造金屬結構可以透過幾何形狀的設計使得它們具有強烈的電磁響應，達到電容率（permittivity）與磁導率（permeability）都是負的。

這篇談到電磁類應用技術的隱形斗篷。等離子體超材料（Plasmonic metamaterials)是開發由於光和金屬-電介質材料相互作用而產生的表面等離子體的超材料。在特殊條件下，入射光和表面等離子體藕合產生自維持（Self-sustaining) 和傳播稱為表面等離子極化子（Surface plasmon polaritons)的電磁波。這樣的波一旦形成後，便沿金屬-電介質的介面傳播。與入射光相比，等離子極化波的波長要短得多。

實際上，用金屬做成的超材料其現象與金屬的表面電漿有很大的關係。而且兩者其實是一體兩面。超材料結構往往是在一面基板上製造許多相同的超材料原子或分子。如果在此平面的超材料原子或分子隨著位置而有不同的方位或結構，則這個面（學界稱為「超表面」（metasurface））還會顯現出特有的光學現象。我們已知，每個超材料原子或分子的共振伴隨著強烈的色散關係，而且其共振與否跟超材料原子或分子相對於入射光的偏振有關。這表示如果能適當地設計每個超材料原子或分子在基板的方位與位置，則由於其次波長尺度的特性，它們可以在入射光的波長範圍內劇烈地改變反射光或穿透光的傳播、偏振、與相位等等性質。而隨著研究的演進，學界對超材料的定義從原本的負折射率物質、左手物質、轉變到所有包含次波長的金屬結構。後來連只要能產生有趣的光學現象的非金屬結構也被包進來了。

超材料（metamaterials）是一種幾乎不存在於自然界的特殊性人造材料，此種材料的特性主要取決於其組成單元的結構，而不是完全由其組成的物質所決定。超材料與表面電漿還遇到損耗的問題，目前公認的最低損耗材料是銀。但很顯然這不是通往大規模應用的手段。Gary Cheng 在 Science 12/2014;n346(6215):1352-6. DOI:10.1126/science.1260139 提到使用被稱為激光震動壓印法，即在金屬上創造出晶體結構以得到理想的機械和光學性能。研究人員同樣還發明了金屬與石墨烯的混合結構，該結構是一種超薄的碳結構，在很多領域中都有著良好的應用前景。這一混合材料可提高材料的等離子體效應，使得超材料成為理想的吸收體，在光電子和無線通訊領域都有著廣泛的應用前景。

nn很多超材料的有趣性質皆起源於其共振現象，但很不幸地超材料的最大問題也是過度倚賴共振現象，造成其工作波長只能限制於很窄的頻段。從超透鏡、隱形斗篷、乃至最近關於在非線性光學的相位匹配問題等等都隱含了這個根本的缺點。而這些也是阻礙超材料應用的最大障礙。

超材料的優勢在於我們可根據實際應用上的需求，在任意波段開發出合適的結構，以突破自然物質之性質的限制，使得超穎材料在天線、吸收體、透鏡等研究領域的應用前景無窮。我想藉由在原先超材料的銀結構設計改成石墨烯複合材料，透過石墨烯本身在高電子遷移率、磁場及可見光吸收的優勢，嘗試來達到任意的電導率與磁導率，提供了極大的自由度來控制、及改變光及電磁波的行為。在未來工作中，研究人員將致力於利用該技術得到一種卷式製造系統，將應用於許多工業中紙和金屬薄片的生產、柔性電子和太陽能電池等新的應用領域。

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