非金属基超常电磁介质的原理与构筑

日期：2016-12-28 来源：市科委

获奖项目：非金属基超常电磁介质的原理与构筑

主要完成人：周济（清华大学)，赵乾（清华大学)，李勃（清华大学)，孙竞博（清华大学)，宗瑞隆（清华大学)　

推荐单位：专家推荐

获奖等级：国家自然科学奖二等奖

项目简介：

超常电磁介质是一类新型人工材料，具有与常规材料迥异的奇特电磁特性（如负介电常数、负磁导率、负折射率等）。这类材料颠覆了传统电磁理论描述的若干规则，有望成为新的学科生长点，引发信息技术等领域的重大技术变革。作为超常电磁介质的主流技术，基于金属谐振单元的超构材料（metamaterial）取得了重要成功，被评选为材料50年10项重大突破之一。然而，受制于金属基体的固有特性，高损耗、各向异性、难以调控以及光频材料难于制备一直是困扰这类材料发展的壁垒。为从根本上解决上述问题，项目组在国际上率先开展了基于非金属材料的超常电磁介质的研究。项目从材料超常响应的基本原理出发，借助于非金属材料中丰富的电磁极化机制，初步创建了非金属基超常介质的原理框架和构筑策略，并指导了材料探索和器件应用。主要科学发现包括：

（1）构建了基于非金属材料及其结构的超常电磁响应原理。提出了以介质Mie谐振为基础的陶瓷超构材料设计原理；发现了无机晶态材料中自身结构导致的若干种本征型超常电磁响应。开辟了金属超构材料以外构筑超常电磁介质的新路线，实现了超常介质的低损耗、结构简化和各向同性。

（2）提出了非金属基超常电磁介质的调控机制。利用非金属功能材料对外场的敏感性，通过人工原子或介电背景构建，发展出了具有普适性的超构材料调控方法，突破了超常电磁响应可调性的难题。

（3）建立了自下而上的光频非金属基超常介质制备策略。利用自组装胶体晶体、阳极氧化铝(AAO)及生物有序结构作为模版，发展出了基于软化学过程的非金属基超构材料的构筑方法，使光频超常介质的制备摆脱了微加工技术的制约。

在Physical Review Letters、Advanced Materials、Materials Today等权威学术刊物上发表论文80余篇，其中2篇入选ESI高引用论文。8篇代表性论文被SCI他引773次，20篇主要论文被SCI他引1242次。成果被多次大篇幅编入国外教科书和权威工具书。做国际会议特邀报告30余次，组织相关分会、论坛9次。成果指导了新型电子元器件的研发和产业化，产生了显著经济和社会效益，入选2012年度工信部信息产业重大发明。