金屬-電介質體系的雙負性質及調控.pdf

1、本課題以近年來興起的雙負材料為研究對象。雙負材料是指介電常數(shù)與磁導率同時為負的介質。由于電磁波在雙負材料中的傳播方式與在傳統(tǒng)介質中截然不同，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，因此雙負材料也被稱之為“左手材料”。
　　 雙負材料這種獨特的電磁波傳播特性可以被廣泛的應用于國防、通訊、光學成像等領域。例如，J.B.Pendry基于雙負材料中所獨有的負折射現(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成像設備的分辨率，實現(xiàn)分子甚至更小尺度的光學成像。
　　 本課題以在金屬/電介質體系實現(xiàn)雙負性質為主要研究目標，一方面以金屬陶瓷為主要研究對象，探索非陣列型雙負材料，利用選擇性還原法制備金屬陶瓷，并研究其高頻電磁性能，通過合理構建模型對其電磁學響應性質進行理論分析及計算，揭示雙負機理。同時，針對陣列型雙負材料存在的高制備成本問題，探索如何優(yōu)化

3、陣列型雙負材料的制備工藝，降低制備成本，為雙負材料的大規(guī)模制備提供實驗與理論依據(jù)。
　　 主要研究內容包括金屬陶瓷與金屬/電介質周期性結構陣列的制備，微觀結構表征以及高頻電磁性質的調控，通過理論及實驗研究建立材料微觀結構與高頻電磁性質之間的聯(lián)系，對金屬陶瓷與周期性結構陣列中雙負性質產(chǎn)生的基本原理進行對比分析，獲得金屬/電介質體系雙負性質的規(guī)律。具體包括探明金屬陶瓷中金屬顆粒的粒徑、形貌、體積分數(shù)及其在陶瓷基體中的分布和界面狀態(tài)對

4、電阻率、復介電常數(shù)等物理性能的影響，揭示金屬陶瓷雙負性質的機理，優(yōu)化材料組分，改進復合材料制備工藝，為獲得在某些領域有重要應用價值的微波段雙負材料提供依據(jù)。同時采用脈沖激光沉積結合掩膜板的方式，制備金屬/電介質周期性結構陣列。以周期性陣列在紅外頻段的光學性質及其調控為主要研究內容，以經(jīng)典電磁理論為基礎建立理論模型，通過研究結構陣列中紅外頻段電磁波的傳播行為，探討結構單元的物理性質、形狀、尺寸以及體積分數(shù)等對周期性陣列電磁性質的影響，為有

5、效設計構建周期性結構陣列及其電磁響應特性的調控提供理論與實驗依據(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-電介質無序二元復合材料及金屬-電介質有序二元超構材料，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、微觀結構、介電常數(shù)與磁導率等性質進行分析表征，研究結果表明，
　　 (1)在金屬陶瓷的低溫還原制備過程中，燒結體中熱力學穩(wěn)定的

6、Fe-Al-O固溶體基本不參與反應，含量變化不大;熱力學不穩(wěn)定的Fe2O3為主要反應相，被還原為單質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)過還原反應后，金屬陶瓷內部形成了由富鐵區(qū)域與富鋁區(qū)域組成的微納雙復合結構，富鐵區(qū)域為Fe/Fe3O4納米復合結構，富鋁區(qū)域為FeAl2O4/(FexAl1-x)2O3納米復合結構。
　　 (2)通過在非磁性Al2O3基體中負載磁性金屬顆粒Fe，

7、能夠在金屬陶瓷中實現(xiàn)負介電常數(shù)及負磁導率，該雙負性質的獲得與金屬陶瓷的微觀結構有緊密的聯(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電網(wǎng)絡結構，電子能夠在該網(wǎng)絡結構中自由移動，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現(xiàn)負介電常數(shù);負磁導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