论文翻译——超表面理论及应用

第一篇：论文翻译——超表面理论及应用

超表面理论及应用-超材料的平面化

An Overview of the Theory and Applications of Metasurfaces: The Two-Dimensional Equivalents of Metamaterials Christopher L.Holloway1, Edward F.Kuester2, Joshua A.Gordon1, John O’Hara3, Jim Booth1, and David R.Smith4

三碗

译

摘要

超材料通常由按一定规律排布的散射体或者通孔构成，由此来获得一定的性能指标。这些期望的特性通常是天然材料所不具备的，比如负折射率和近零折射率等。在过去的十年里，超材料从理论概念走到了市场应用。3D超材料也可以由二维表面来代替，也就是超表面，它是由很多小散射体或者孔组成的平面结构，在很多应用中，超表面可以达到超材料的效果。超表面在占据的物理空间上比3D超材料有着优势，由此，超表面可以提供低耗能结构。文章中将讨论到超表面特性的理论基础和它们不同的应用。我们也将可以看出超表面和传统的频率选择表面的区别。

在电磁领域超表面有着很广泛的应用（从微波到可见光波段），包括智能控制表面、小型化的谐振腔、新型波导结构、角独立表面、吸收器、生物分子设备、THz调制和灵敏频率调节材料等等。文中综述了近几年这种材料或者表面的发展，并让我们更加接近一百年前拉姆和Pocklington或者之后的Mandel和Veselago所提出的令人惊讶的观点。

引言

最近这些年，超材料这方面一直引领着材料的潮流。超材料是一种新的人工合成材料来得到自然材料所不具备的一些特性。在电磁背景中，这方面最早的实例就是人工电介质。之后，我们将会看到和经典结构完全不同的超材料和超表面，比如光子能带隙结构（PBG）、频率选择表面（FSS）。双负指数（DNG）超材料是一种盛行的超材料，也叫作负指数材料（NIM）、左手材料等（LHM）。这种材料的特性是在给定的频率带宽内其有效介电常数和磁导率是负的。另一种特性是近零折射率。在这种材料中，其介电常数和磁导率都被设计成接近于零。拥有这些特性的材料可以应用在很宽的频率范围（微波到可见光频段），并且其应用也很广泛，如隐身、低反射材料、新型结构、天线、电子调谐、超透镜和谐振器等。

现在的超材料研究来源于对Bexelago理论的仿真，或者是基于之后Pendry、Smith等人所实现的超材料结构。然而，这个领域中很多研究者并没有认识到负折射率超材料的概念和它们令人吃惊的性能可以回溯至那么早的时间段。实际上，这种材料的理论可以回推到一个世纪以前。早在1967年，一些学者已经对超材料做出了研究，而更早的Sivukhin在1957年对超材料的特性做了简单的描述。Malyuzhinets和Silin都相信L.I.Mandel在更早的时间里做过超材料研究。Mandel提到关于Lamb的1904年的报纸，称Lamb或许是这一领域的第一人。Lamb提出了反波的存在性（在相反方向上拥有相位和群速度的波，他的实例包含机械系统而不是电磁波）。Schuster在他1904年的可见光书中简短的谈及了Lamb的工作，并提出了在可见光介质中或许也有着反波的特性。1905年，Pocklington展示在某种情况下静止的自行车链条可以产生反波，加上突然的激励可以产生一种拥有远离波源的群速度和朝向波源的相速度。

超材料通常是用规律排列的小散射体构成的结构，以此来获得期望的性能。超材料可以被扩展成二维分布的电子散射体图1.图1a阐述一种普遍的散射体排布，而图1b-1d展示更多的特殊例子。图1b展示一种金属散射体排布，它可以获得与经典开口环结构所产生的磁响应类似的电响应。图1c展示一种球粒阵列（基于此引入了3D超材料，来源于早期Lewin的工作，但更早的是100年前Gans和Happel的预测）。图1d为陶立方排布。超材料的这种表面结构最初命名为超薄膜，表示一个表面上分布着小的散射体。值得一提的是每个散射体的都是很薄的（甚至比晶格常数小），可以有任意的形状，可以有亚波长尺度。与超材料类似，超薄膜也可以通过其散射体的排布来有其特有的电磁特性。超薄膜又称超表面或单层超材料。在1.1和1.2部分我们将简化其称呼。

对于很多应用，超表面可以用于放置超材料。超表面相对于3D超材料来说有着占有更小物理空间的优势，由此，超表面可以提供更低能耗的结构。近几年，超表面在从微波到可见光波段的应用取得了巨大的成就。除了可用在上面所说的超材料的应用外，超表面还可以实现智能表面控制、小型化谐振腔、新型波导结构、简单而宽角度吸收器、阻抗匹配表面和生物分子器件。下面也将会更详细的谈到其中的一些应用。

1.1 超表面与频率选择表面

下面说一说超材料（MM）和传统光子带隙(PBG)或电磁带隙(EBG)结构之间的区别，另外超材料和传统频率选择表面（FSS）的区别。第一种超材料可以使用超表面来发展创新。对于超材料来说，能熟知周期材料在不同频率或者不同尺寸的电磁响应非常重要。这种复合材料可以分成三种完全不同的部分（图2）。对于3D超材料来说，第一部分是准静态部分。这就暗含低频的意思（亚波长段频率）。这种散射体将会具有诱导的或者永久的偶极柜，这也是经典材料的性质。另外，这种散射体可以通过改变形状或者位置来获得想要性质的人工复合材料。在这一部分，描述使用经典的材料混合来得到目标特性（介电常数、磁导率）

当波长可以与结构周期相近或者比周期小时，会有特别的响应发生，见图2的第三部分。在这种频率下，存在一种更加复杂的场，这就需要用更加精密的分析技术（全波方法）。传统的分析方法是Floquet-Bloch理论，其中的场扩展到有各种不同方向的平面波。当波长接近周期时，就需要考虑到更高要求的Floquet-Bloch理论。这种高要求模型就会通过复合材料干扰基波的传播，在这种频率范围中我们称复合材料为光子带隙或者电磁带隙材料。在某种频率范围，光子带隙和电磁带隙材料会阻碍到EM波的传播，这种频率带就称为阻带。别的频率中，这种材料的通过率很高，这种频率就为通带。布拉格散射效应就是与这种频率有联系，它是很多实际应用的基础。

图2的第二部分也是处在亚波长结构，不过期单元散射体可以达到共振。这就实现了另一种人工材料（MM），实现了自然材料所没有的特性（如双负或近零指数材料）。第二部分，那些共振体是其成为超材料的原因所在。我们可以通过有效介电常数和磁导率来标明超材料的特性。

二维阵列（超表面）也有相似的特性。对于二维格子阵列来说，第一部分复合材料属于经典薄膜材料，第三部分是周期性的共鸣器。另一方面讲，当我们谈及超表面时，就是在说第二部分的共鸣器散射体而不是周期性结构。普通的频率选择表面有时会是运行在这种体制下，但这种类型的操作和第三部分的并没有明确的标出。

值得注意的是图2所示的第二部分并不常见。这种散射体需要特别的设。例如，如果是 图7中球形粒子的特性或者半径非常小，或者是散射体的形状、尺寸没有做合适的选择，散射体的共振将会趋向于Floquet-Bloch模型，就实现不了双负材料。在Floquet-Bloch模型中散射体共振将会被吸收，这种介质模型就不能充分描述复合材料。总的来说，图2中第一、第二部分会出现在某种复合材料介质的情况中。第一部分（经典混合理论），其有效特性不依赖频率。第二部分（散射体共振），其材料具有频率依赖特性。在这部分中，可以实现3D双负指数材料和别的共振器。最后一部分中，电磁场和周期材料的相互作用非常复杂。我们不再将复合材料称为有效介质。当波长接近结构周期时，更高要求的Floquet-Bloch模型需要考虑进去，超材料和超表面就是这样。

1.2 超表面类型

超表面结构就是二维的周期性亚波长结构。在一般的研究中，我们将超表面列为两类。一种是有着陶瓷拓扑结构（一种绝缘散射体）图1a所示，称其为超薄膜，有着很多应用。另一种是渔网结构（图3），称为元幕。这些材料是由在阻抗表面周期排列的孔制成。别的种类超表面基于这两者之间。例如，平行导线光栅在垂直导线方向表现出超薄膜的特性，而在沿轴方向就表现为元幕性质。

1.3超表面模型

模拟超材料的传统的、最方便的方法是有效介质理论。在这种方法中，某些类型的平均是用在超材料周期单元结构所产生的电磁场上面。从这些平均值中，可以确定超材料的有效介电常数和磁导率（以及折射率）。值得一提的是，只有当波长相对于晶格常数足够大时候平均才是有效的。对于场的周期单元平均定义有效材料性能是正确的方法（那种匀质平均的类型），许多研究人员已经在实践中使用根据一些计算出厚度的超材料样品来得到期望的反射和透射系数。尼科尔森-罗斯-韦尔（NRW）的方法或它的变形，可以用于获取超材料的有效材料性能。需要注意的是，当使用范围是负指数材料时，标准的NRW方法必须进行修正。典型地，一个平方根的符号的选择是由明确的通过确保在传播方向正功率溢流。在某些情况下，还必须考虑到样品的边界附近局部影响。如果使用得当，有效介质的方法是用于表征超材料的很合适的方法。

尝试使用类似的超表面参数分析很少成功。一些以前的超表面研究把其当做是单层超材料薄膜，这种模型的材料特性是任意的引入一个非零厚度参数来获得的。这有一些人为物理结构参数的问题：这些超表面的参数特征是错误的。传统计算方法的展开可以给我们一些提示，当以样品尺寸建模时，必须考虑样品边界效应，就像两个不同切面上的效应一样。

为了说明其中难点，我们使用图1中对等的厚度为d（图4）的材料层来代替超表面。其有效特性是由上文中HRW方法所得出。问题是上述所得有效特性对于超表面来说并不唯一，虽然散射体的几何特性和晶格常数一定，但厚度d不确定。实际上，d在合理限制中可以任意取值。由于d不是唯一确定的，所以由其而得的超表面特性也不是唯一的。因此，与报道中相反的是，把超表面看成等效介质所得的有效特性都是不合适的并且导致了错误的阐释。Smith等人坚持这个观点，认为‘εd’很可能是常量。在文献[101]中介绍了易受影响的表面和有效特性直接的关系，认为对于超表面来说，不能定义独立于d的ε和μ。由此说明ε和μ是d的函数，并且唯一确定。这种结果就是说d、ε和μ是任取的。也就是我们如果假定厚度也为常量就可以使用这种有效特性。但对于不同的厚度来说，这种有效特性并不适用，非平面形状也一样。如果我们想在一定厚度基础上使用这种有效特性的话，那是没问题的。从另一方面说，如何改变了厚度而继续使用之前的特性，那就是错误的了。

图5和图6强调了这一点。图5展示了球粒阵列中通过这种方法使用不同的有效厚度d所得的介电常数。图6展示不同厚度下的负折射率。图5和图6中可以看出有效特性是厚度

d的函数，说明有效特性并不是超表面所固有的本质特性。同样我们也应该指出通过这种方法所获得的超薄膜或超表面的有效特性并不能展示其物理特性。例如，因果颠倒或者负材料呈现出大的介电常数或磁导率（在文中基于时间t假设的ejwt的正虚部）。

在文献[100]中，论证了超薄膜表面的唯一性，由此，也定义了超表面特性的唯一性。从物理上讲，超表面是一种极小的板：当电磁波与其作用是会产生相移或者是振幅的改变。这种超表面最好的定义是通过普通的板过渡理论（GSTCs），是对比于使用在超材料上的有效介质描述来说的。这种方法使用在超表面与电磁场交互作用时候，且符合广义等效面转换理论。

对于超薄膜来说，在文献[23]中所述广义等效面转换条件与超表面的两个面上的电磁场有关（见图1a）：

式中av代表超表面两边的平均场，t为到z的距离，是单位矢量。ES和MS分别是两

....表面的电场和磁场。这有着计量单元，并且与散射体的电磁极化密度相关。当散射体有缺失 这种性质会消失并且方程（1）中E和H的非相关条件将会减少。简便起见，我们认定散射体和晶格对称，则表面并失如下：

在这篇文章和文献[101]中，我们对于MS有一个约定，在H场中右边项前加一个负号，而E场右边项加正号（见方程1）。这种符号约定与文献[100]中不一样。我们选这种约定是因为当表面磁密度与H在同一方向时Re(MS)为正，这也是经典磁材料特性定义的组成部分。这种广义等效面转换条件可以应用在更多的方面，如不对称性、不均材质、以及双各向异性表面，而且这方面的理论已经有了发展。值得注意的是方程1的约定条件仅适用于超薄膜。具有不同结构的超表面将需要其他的理论条件。例如，周期性隔离孔组成的元幕有着零厚度理想导体，这与广义等效面转换理论相悖，这可以写成：

其中E场和B场在元幕中是连续的。这里，ES和MS分别是元幕的电特性和磁特性，并且，与超薄膜表面相似，它们有着长度。当孔不存在时，就只剩了理想导体平面，那些由孔引起的电、磁特性将会消失，并且方程3中电场E的切量会减小。元幕的经典边界条件还没有定义出，还需要补间断的工作来发展。像导线光栅这种拥有超薄膜和元幕两种特性的超材料的边界条件也一样需要发展（在[102][103]中广义等效面转换条件应用在了薄导线光栅上）。

广义等效面转换条件同样可以用于阻抗边界条件。对于平面波电磁的变量，它是平行于超薄膜的

....我们可以利用麦克斯韦方程将方程1写成：

其中表面转移导纳和转移阻抗由下式给出：

这种边界条件也可以等效成传输线电路。

这种广义边界条件可以让超表面可以有一个有着无限薄等效表面的模型。表面几何的细节包含在表面特性的边界条件中。应用在广义等效面转换条件中的场是一种宏观场，相比于散射体、孔和晶格来说，其并不具备长度，但当波长在介质周围是它就有着更大的值。值得注意的是，这种广义条件由于方程1和3中表面梯度的影响而存在着误差。如果表面特性可以使用矢量波（沿波的传播方向）来计算的话，这种边界条件的计算将更加精确。

如果不需要空间场变量的精细的结构的话，这种广义等效面转换条件和麦克斯韦方程一样都需要分析场与超表面的相互作用。这种边界条件中的表面特性是位移确定的，并且可以作为描述超表面的物理量。基于这种模型的检索技术将在下部分来描述。

1.4 超表面的特性

如上部分所述，超表面的有效特性和磁导率（与负折射率相同）并不唯一确定。这一部分我们将综述一种超薄膜的唯一的特性，主要是基于反演其反射和传输系数来获得。超薄膜的反射（R）和传输(T)系数不管是对于TE或者是TM波（图7）都来源于文献[24]。

对于TE波来说：

对TM波来说：

其中k0是真空波矢。这种反射和传输系数可以用于有着足够对称性反射体的超薄膜上。同样的方法也可以用于更多非对称不规则表面特性，如元幕或更多普通的超表面。这些理论尚有待发展。

一旦确定了表面的反射和传输系数，表面特性就确定了。在这个实例中，每个偏振波都需要两种R和T系数。对于TE波，其三个未知特性的推导如下：

其中R(0)和T(0)是正入射波的反射和传输系数，R(θ)和T(θ)是以θ角入射波的反射和传输系数。而对于TM极化波，其未知特性的推导如下：

在文献[100]中的符号错误已经在上式中修正。同样文献[101]也做出了修正。

这种方法既可以从理论上又可以从实验方面确定R和T的值。而对于普通入射测量技术来说，很难分辨其入射和反射成分，如果入射角不为零则结果会好很多，祥见文献[100]。有趣的是，当推断超材料模型的有效特性时，这种反演方法来求解超薄膜特性既不用特定的取符号的平方根，也不需要假定表面层的厚度。

为了确认超薄膜这种反演的特性，我们引入一种球粒型超薄膜如图1c。其中a=10mm, p=25,59mm, εr=2, μr=900, tanδ=0.04。这种结构的极化度是可解析的，因此其表面特性可以根据文献[100]给出的方程计算。如上所说，可以通过设置不同的R,T来确定未知量，文献[100]给出了一些方法。

Figure 8.The surface susceptibilities for a metafilm composed of spherical particles.图8所示ES和ES的实部和虚部。其结果是通过30入射角的数值仿真所得的R和T。

0zzyy超薄膜模型是球粒阵列，有着对称传输阵列（）。同样图中也给出了文献[100]分析结果。通过对比，这种反演方法所得结果和方程计算结果一样。

上述例子和文献[100]都说明了反演方法的正确性。更重要的是，这种计算结果说明了超薄膜特性是唯一的。

超薄膜也可以用来计算3D超材料的有效特性。在这种技术中，和上面一样，超薄膜的平面波反射和传输系数用来计算表面特性。通过文献[23]中应用，之后就可以获得单个散射体的极化率。通过把这种超薄膜嵌入三维超材料里，就可以通过Clausius-Mossottii关系来得到有效介电常数和磁导率。这种技术是一种很有用的计算标准参数的方法，尤其是当波在一个很小的多层样本中传输时候。

在本文的其他部分，我们将讨论近几年超表面的各种应用。可调表面

对于一个给定的超表面，我们可以通过很多商用模型来分析它与电磁场的反应。然而，如我们所见，可以通过广义等效面转换条件来获得平面波的传输和反射系数。对于超薄膜，适用于方程7和方程8.这些特性与超薄膜的表面特性有关。这些方程的好处是可以让我们从物理方面洞察表面特性与反射、传输系数的关系。方程7和方程8阐释了通过控制表面的反射和传输系数可以改变表面特性。

以方程7和方程8为例，我们可以写出在全反射或者全透过时电、磁特性的关系。在全反射时：

而对于全透过时所需的条件是：

理论上控制反射和传输系数可以通过以下机制来完成：1，通过改变散射体的电磁特性；2，通过改变基板（材料特性或者几何构造）的结构。以球磁粒子组成的超薄膜为例，图9所示为R关于散射体磁导率的曲线。图中可以看出，基于散射体磁导率的变化，超薄膜从全反射变化到了全透射。这种可控表面已经实现，其组成是由球形YIG粒子所组成的超薄膜，控制激励是外加DC磁场。图10所示为这种超薄膜的传输特性随外加DC磁场的变化。一些其他的方法也已经可以用来控制超表面，并且在动态控制领域也有许多研究在开展，我们将在第7和第9部分做讨论。各向异性超表面：角独立特性、吸波器和阻抗匹配表面。

各向异性散射体所组成的超薄膜可以用来获得与各项同性超表面所不同的很多应用。这些应用中的一个有趣的体超材料是在其内设计出各向异性的表现。实际上这个主意来着隐身斗篷材料，其有着很大的关注度。这种材料是通过在超材料里设计各向异性材料来设计的，覆盖有这种材料的物体可以使光在其表面传播或者弯曲。经过合理设计的各向异性超材料可以达到既不散射又不吸收能量，这样就可以在电磁波里实现隐身效果。现在可以在理论上实现从射频到可见光的隐身。但由于材料和结构的本质属性，在获得宽带隐身效果来说还有着技术难点需要突破。试验证明窄带单偏振的隐身实例已经可以实现。

同样，这种概念也可以扩展到超表面中。在这个设计中，其表面设计将选用散射体所组成的超表面来达到期望的性能。例如，理论上可以可以设计出一种超表面来达到将EM波聚焦到目的区域，与聚焦天线阵列很像。如果可以按照期望的控制超表面的散射体，就可以得到一种能够改变能量聚焦所在的方向和频率的超表面，这种概念现在正在研究。

另一个例子是怎样获得不依赖角度（至少是某种参数范围中）的反射和传输系数。对于一个给定的入射角，方程13给出了在发生全反射时表面电和磁的磁化系数。方程13给出了一种可以在这种全反射状态下获得近似角独立的结构。以TE波为例，当MS>>ES时，角依赖性被削弱，这是基于方程13中圆括号前部分控制第二角依赖部分。同样地，对于TM波，当MS>>ES时,其角依赖性同样变弱。当超薄膜的散射体结构达到谐振频率时，会产生这种性质。当所指部分占优势时，方程13中全反射条件变成： yyzzzzyy

如果超表面设计成这种传输成分的表面特性的共振相比于普通成分来说非常高，则这种超表面或许会产生角独立特性。这种特性在图11中阐释出来，其中我们画出了超表面的反射系数，这个超表面是由图1b所示金属结构组成。在图中可以看到这个表面在600入射角处获得近似角独立。

我们可以将这个概念扩展到很多其他的结构上。例如，具有高的各向异性材料的板也可以获得角独立特性。文献[61]展示，这种特性可以通过检测不同各向异性基板的反射系数来观测。另外，引进计算电磁学中的完美匹配层（PML）可以减少辐射边界所产生的误差，同样它也需要这种角独立特性。这种PML可以通过超表面的理念来实现，这种课题正在研究中。

这种结构为发展紧密的电磁吸波器提供了可匹配的能耗材料，并且使独特的阻抗匹配表面得以实现。基于这种想法的吸波器最近开始出现在文献中[53-58]。这种结构通常由覆盖有金属板的能耗基板和其前部的超表面组成（图1b的第二幅图）。这种结构或许会是窄频的，但它同样也是很紧凑的。使用超表面的这种结构的另一个优势是它有着很好的角独立特性，这在理论和实验中都是已经证明的了。对于角独立特性的物理说明如上述或者文献[60]。

不同的团队同样也研究了超表面在阻抗匹配表面的应用。与图12a所示的金属阵列相似的结构已经被用来制作宽角度的阻抗匹配表面。这种结构具有高各向异性，可以使角独立特性得以实现。这种薄各向异性超表面的反射特性在图12b中展示。谐振器尺度的优化

Engheta展示了当孔中部分填充负折射率材料时候，在λ/2尺寸规模的谐振器结构的尺度还可以再减小。文献[35,36]中扩展了这个理论，使用超表面也达到了同样的效果。利用超表面的优势是可以理论上比利用3D超材料所实现的尺寸要小。距离为d的两个金属板之间放置超表面，达到共振所需要的相位匹配条件是

当M0时，n=0不成立。通过这个方程，可以看出如果合理设计超表面的话，谐振器尺寸可以超越λ/2波长的限制。

例如，一个由两金属板及其之间的方形片状物构成的超薄膜。图13所示为三种不同板的谐振频率关于l/p（p为周期，l为单个方形物的尺寸）。当l/p=0时，就是经典结果d=λ/2。对于一个给定的d来说，电容性超表面可以很大程度上减小谐振频率，或者是减小谐振器尺寸以得到期望的谐振频率。方形片超薄膜谐振器的频率减小在表1中展示，周期p=500μm。在表中，对于不同的l/p值列出了相对应的减少值。这个表的结果展示了这种结构可以减少共振器尺寸高达56%。如果经过精细制作超表面散射体的极化特性，还可以达到更好的减少尺寸效果。实际上通过控制超表面的特性可以实现频率灵活的谐振器。波导

对于一种入射波来说，超表面可以经过特殊设计来使其发生全反射，这就使俘获并传输电磁能到两个超表面之间成为了可能。图14阐释了波导的一些现象（与图7不同的结构使其具有了沿z轴方向传播的性能）。假定波导方向沿z轴，k0sin，对于TE模型，从方程13可以看出传输常量须符合下式以达到全反射

对于漏模来说，这个常量通常很复杂。如果所选超表面满足上述标准并且β一定，则x方向的传输波数如下

两超表面的间距d

其中虚部ne越小越好，需要满足

和

（后者条件是由于在接近两个超表面时候模型将表现出一种表面波特性，很可能会增加其衰减）。对于TM模型类似的方程也在文献[37]中提出了。

这种波导可以使其变得简洁，使用更少的材料，更低的辐射能耗。如果超表面由聚合物组成，则也可以得到一种柔性的波导结构，再加上合适的超薄膜的话，可以实现柔性低损耗的波导，在THz频段有着很大的应用潜力。这可以用来设计智能可调频率灵活的波导结构。超表面上的复合波和表面波

有着传统电介质片的超表面在适当的条件下也能支持表面波的传输。然而，与传统介质片不同的是，通过设计超薄膜散射体特性，可以同时产生向前、后的表面波以及复合波。实际上，可以通过适当调节散射体来使表面被或者复合波只在指定的频率出现。在文献[109]中给出了详细的平面波的产生。超表面上线波源的反射系数的极值是超表面表面特性的函数。如果这些极值确定，在不同条件下表面传输波的传输常量由下式给出

式中βs在表2中给出，数据为电波线源的不同条件，对于磁波，见文献[109]。当表面磁化率符合其中一个条件时，就会激发表面波或者复合波。图15阐释了频率激发的超表面平面波或者是复合波。数据显示当磁波线源放置在球粒阵列上方时电场的大小。图15a展示一种表面波的激发。图15b展示复合波的例子。通过改变散射体的特性，表面磁化率也随之改变。由此，从表2中看出，在任何想要的频率下产生表面波或者复合波都是理论可行的，同样也适用于频率灵活的波导结构。

Figure 15.The magnitude of the E field(on a linear scale)from a magnetic line source placed 45.49mm above an array of spherical particles:(a)f=1.42GHz,one surface wave;and(b)f=1.5GHz,complex mode THz器件

可调表面可能有利于THz频段的设备和构成。基本上可调表面是通过改变电环境、电流或者元件环境来实现的。当电环境 改变时（通常由散射体内半导体引起），这就是混合超材料。THz频段范围内可调超表面具有举足轻重的地位。这主要是由于实际应用中缺乏THz技术。使用在微波和光子波段的器件，比如开关和调节器，并不能再THz范围内使用。一个主要的挑战在于找到在THz波段可调并有强的响应的天然材料。

众多的实例证明THz超材料具有这种优势。THz超材料有利于更高的调节能力、简单的工艺、低损耗和动态调控。第一个动态调控的实现是利用近红外激光通过调节超表面基板的电导率来调节谐振响应。模型由铜开口环谐振器和高阻抗砷化镓基板组成。激光照射之后，砷化镓带隙激发传导电子，使其具有类金属性质。这就使开口环谐振器的电容带隙发生短路，以此调节器基础谐振功能及改变超表面的宏观响应。这个观念可用短载流子寿命的半导体来展示，它可以实现极快的调节，开关功能可以在20ps实现。光控很快被电控所取代。这里，通过分子束外延生长出的适度参杂的砷化镓层，其上排布金开口环阵列而形成一个肖特基结。超材料阵列被欧姆接触环绕，以实现二次电连接。由于参杂的砷化镓不足引起谐振，在自然状态超表面没有谐振。施加偏压后，开口环在接近砷化镓带隙区域形成增大的耗尽区。这在开口环区域形成了一个绝缘的带，重置了谐振效应，因此改变其宏观特性。使用这种方法实现了调幅和相位调制，其中一个根据是Kramers-Kronig关系。尽管开口环谐振器应用存在窄带宽的缺陷，但宽带的调制是确实存在的。这是固态THz斩波器实现的起源，其可调制频率达到30kHz，通常THz束受限于1kHz。这实例形象的阐释了在室温下调制THz波的改进。

别的许多THz调节器也通过可调谐超材料实现了。这包括频率可调超表面，其中谐振频率可在近红外波段调谐。图16所示为开口环结构里植入了硅元。其自然状态下，硅是绝缘的，因此对于整个开口环结构来说其所增加的电容只有很小的数值。加入激励光，半导体显示器类金属性质，开口环电容增加，由此导致谐振频率降低。其中的创新点是，与以前的调谐不同，这种不需要损坏开口环。这既证明了可动力调谐谐振器，也使一种新的频率调谐结构成为了可能，这种结构可以使宽带THz入射波调制成1/2的频率窄带输出。

可调THz超表面仍在新应用以及新结构上发展。调幅也被用在更精细的应用上如空间光调制和量子激光调制。可调超材料也可以用另外的方法来得到，比如MEMS，其中开口环制作在悬臂上使开口环可以通过温度的改变来调节共振频率。别的温度调节方法也在研究。有一种是通过温度改变半导体载流子浓度，然后可以在THz范围来改变其电容率。制作在一个基板上的超表面可以作为一个温度调控功能的应用。其他的方法中，二氧化钒也可以作为其基板。随着温度的变化，二氧化钒由金属向绝缘体转变，特别是其电介质特性的变化，由此也引起宏观超材料共振的变化。有一种有趣的记忆超材料也由这种概念得以发展。这里，二氧化钒的磁滞特性使电介质特性温度可调成为现实。制作在这种基板上面的THz超表面可以得到持久的共振频率，可以制作成电磁响应记忆材料。

近来的研究，HTz超表面通过改变谐振器的环境可以实现动态调节，其实现是通过在超表面的表面镀电介质层。这种想法可以用来实现遥感技术，因为超表面谐振器镀电介质环境的改变非常敏感，特别是对于开口环带隙处来说。这种观念扩展到了微波频率，流体也使用在了可调表面、生物分子感测和微波辅助化学方面。这将会在后面详细的谈到。可见光超表面

提到这部分，我们仅仅谈论到超表面在射频、微波和THz的应用。很少有应用在可见光波段的超表面。在最近几年，相对于射频和微波频率，可见光波段的超材料研究具有更大的魅力。在可见光频率对材料实现自由的电磁控制使其可以解释新的现象包括optical magnetism，负折射和超透镜。在可见光频率，由金和银的纳米结构激发的等离子谐振器提供了同时控制超材料的电矩和磁矩的方法。这种结构包括等离子纳米结构、球粒、有缝金属薄膜、金属渔网结构和双层或者单层开口环谐振器。由于其在可见光频率的所具有的高吸收特性和等离子材料，可见光超材料与实际应用紧密的连接在一起。同样的，克服等离子体损耗也被列上日程。这种结构在新的特性和器件方面展示出很强的活力，如可见光调制频率选择表面和受激辐射所产生表面等离子体的应用。另一可见光超材料、表面的研究是纳米传输线。

受限于制作规模，可见光超材料常常会单层二维散射体阵列，也就是超表面。很多发表出来的关于可见光超材料的东西也就是期望的可见光超表面。如上述，应用体超材料须谨慎，广义等效面条件为可大范围的应用在可见光方面的二维散射体阵列提供了独特的描述。由此，这也是一种描述超表面的更为合适的方法，而不是使用那些适合描述体材料的方法。

尽管大部分所谓的可见光超材料就是超表面，我们也要提及最近的实现真正3D可见光超材料的研究，其中体特性如介电常数、磁导率和折射率可以合适的并且唯一的确定。创新的制作技术如压条发及堆垛法可以实现散射体的空间阵列。例如，有负折射率材料所制成的棱镜已经实现了光的负折射现象。用于可调表面、辅助化学及生物分子传感器的微流体

超材料和超表面有一个缺陷，就是在期望的频率范围可使用的频带很窄。然而，这种缺陷在某种应用上也可以变成优势。有三种这样的应用如流体调谐表面、微波辅助化学和生物分子传感器。

9.1 流体调谐表面

超材料和超表面的高共振特性为这种结构提供了可调谐频率响应。扰动超表面的电或磁响应可以实时的实施，由此可以改变材料的有效响应。在第2部分中提到可以通过改变磁偏场来改变球粒超表面的磁电介质的极化，在第7部分也提到了在THz频段的应用。然而，许多超材料和超表面电磁特性从属于其金属的几何结构。除了其几何尺寸以外，这种金属的极化率也受等离子谐振引起的电容或者感应特性的影响。电连接谐振器提供了一种直接控制电容响应的方法，通过电带隙中材料的电特性来实现。一种实现这种控制的方法是使用不同的液体来填充缝隙。

图17所示为一种电场耦合谐振器，所使用是流体调谐表面来使其运行在S波段（2.6GHz-3.9GHz），其尺寸如下：t=w=0.5mm, d=9.5mm, l=5mm, g=0.15mm.如果单元结构具有合适的导向，则这种单元结构很容易受入射波电场的激发。

制作在超表面上的单元结构具有以下诱人的特性：a 基于平面工艺，并由微波电路、聚乙烯和微流体管道组成，b 通过流体管道可以同时控制电容性缝隙，由此可以允许多种单元结构公用流体管道，c 可以使流体管道直接与单元结构的电容性缝隙接触，这就有利于缝隙中激发的电场与流体管道的耦合。

图18所示为一个3*6的方向阵列组成的流体调谐超表面。单元结构的周期是11mm。图19所示为通过72 x 34mm S波段的波导激励下的仿真响应。这个仿真是使用Ansoft HFSS实现的。

这种3x6阵列通过Duroid 6002 高频压制成0.017mm厚的铜板覆在0.508mm厚的基板上，可以用来研究流体调谐。流体管道由聚合物制成。聚合物管道通过氰基丙烯酸盐粘合剂粘贴在超表面上。图20a展示了一种有聚合物管道并穿过缝隙的超表面。图20b展示了由金、玻璃和聚乙烯管道构成的另一种结构。

这个超表面阵列由填充了2/3波导区域的聚苯乙烯泡沫支撑，被用作超表面的把手可以方便其移动，可以更快的填充流体管道。之后波导的输入和输出就连接到矢网分析仪上来校准。经过校准之后，我们测量了在波导2.6GHz到3.95GHz散射体的参数。这种方法对反射系数测得的不确定度是|S11|0.02。

管道中有没有流体的测量可以用来定义传输共振。有着相对介电常数为81的去离子水被用来测超材料调节频率的能力，在S波段其具有易操作、低挥发、高介电常数和低损耗。流体管道使用注射器填充。图21是实验中波导下的超表面。

图22为其实验结果。结果证明其在150MHz的调谐能力。具有代表性的是，在有和没有流体填充时其反射发生了明显的滑移，从3.75GHz到3.6GHz。对于图19的仿真结果与图中没有填充水时结果的不一致估计来源于工艺错误。另外，附加的噪声扰动也来源于工艺的不均性及周期误差，还有来源于管道与超表面粘结出产生的干扰。将来，工艺方面的进展将会减小这种误差。

此外，除了这种流体调谐作用，通过改变管道中流体而改变共振特性也是一种新的方法。这种方法以及应用在了制造业、工业、医药和化学工程。超材料或超表面在感测和影响的应用将会在后面做更细的论述。

9.2 微波辅助化学

处在谐振状态的超薄膜可以在单元结构里存储电磁能。这种特性可以用来增加电磁场与流体管道中流体之间的相互作用。现在有很多研究将微波能量来催化化学或者生物反应，其中有许多是得益于超薄膜来增加电磁场与流体的相互作用。这里所说的超薄膜方法对于反应来说非常重要，这种方法是通过控制反应物的流动来控制其化学反应，流体中的能量可以通过调节电磁波的频率和能量来控制。由于超薄膜阵列的谐振频率可以通过单元结构的形状和排列来调控，有不同谐振频率的不同超薄膜可以通过单一波导的不同频率来产生激励。上面所说的超表面结构可以证明流体调谐性，也被研究用于集中波导的电磁场。

S频段波导产生激励时在波导中对电磁场强度做了仿真。每输入1W3.29GHz波源，其中所计算的最大场强是800V/m。将超表面放入同一个波导中心，最大场强达到125000.这就加强场强至少有两个量级，对于吸收增强了至少四个量级。图23展示了处于单元结构中心的电场结构。

图23所示电场结构证明了超材料结构在精确传输电磁能量方面的能力。上面所说的流体调谐超材料明确的证明了流体管道与组成超表面单元结构缝隙的相互作用。由此可以想象得到这种覆有流体网络的超表面通过流体管道可以用于精确传输微波场，这可以用于辅助化学反应。

9.3 生物传感器应用

上面所说的流体调谐超材料可以扩展到实现高的谐振频率以及小片结构的传感应用。单一单元结构可以实现一种环形或者网格超材料，这可以制作小巧传感器以用于医药应用，在液体中计算细胞数或者监测反应。图24就是这样的一种例子。两个开口环连接在一起成一种共面波导结构。单元结构缝隙处连接一个流体管道，用来调节对单元结构电容的影响。通过改变管道中液体的电磁特性，可以调谐共面波导结构的传输特性。

图25是这种结构的仿真结果，流体的相对介电常数从81变到58.当流体改变时，反射系数滑移几十个MHz。这种通过使用一种流体管道来影响谐振特性的能力使小巧传感器的实现成为了可能，这种传感器可以应用于生物传感比如计算细胞数或者流体的细节。未来或许会实现这种类型的传感，定义电容率的微小变化以及使用仪器计算微粒。同样，别的类型的小巧传感器也将会继续研究，这将对综合的传感器件发展有莫大好处。现行的研究主要在将这种概念应用在流体中测定和计算微粒，如白细胞数。

结论

超表面是3D超材料的另一种补充。由于二维超表面的特性可以使其占用更少的物理空间因此可以有更小的损耗。我们指出有效特性模型可以适合于三维超材料，同时对于超表面和超薄膜来说，有效表面电、磁极化率会有更合适的效果，其中这些表面电、磁特性与组成超表面的散射体密切相关。在这篇文章中我们讨论了从微波到可见光波段超表面的不同应用。所谈及的应用只是现实的小小的小部分。同时提出了一些超材料可以使用的新的方面，并为超表面在新领域的应用打开了希望的大门。这里提及的分析工具使我们可以在新的应用中对建模、分析和生产有了可用之法。

那么什么是一维超材料呢？二维超表面的概念可以延伸到一维，仅仅使用线性单元而不是方形或者其他形状，也就是说仅仅使用一种单一的亚波长谐振结构来实现期望的效果。实际上，这种概念已经有了一些新的应用。具有代表性的应用是一种使用单元结构设计的电力小巧天线。在这个天线应用中，单元结构充当天线的辐射元件的一个寄生元件，可以用来将电力小巧辐射单元与传输线和自由空间。纳米微粒同样用于所谓的调谐可见光纳米天线。另一个例子是将一维单元结构用作平面传输线的调谐结构，就像图24所示的传感器一样。另一种新兴的应用领域是将一种一维纳米微粒链用作波导来支持表面波。

然而更多的工作需要继续来加强对超材料和超表面的理解、分析、设计以及制作技术，我们看到近些年超材料和超表面的发展带我们走近了一百多年前Lamb,Schuster,Pocklington所作出的预言。这些材料发展永远的改变了射频、微波、可见光和光子在未来的应用。

第二篇：论文翻译——柔性超表面、超材料

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-scales Sumeet 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。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）、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ε有着密切的联系：n。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-4-1比较低的杨氏模量（7.5*10GPa）和低的吸收率（13cm//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超材料设计开辟了巨大机会，这一应用可以用来设计更加复杂的谐振装置。

-4o聚二甲基硅氧烷具有很高的热膨胀系数（TEC）3.1*10/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

oo度。通常聚酰亚胺的使用温度在-269C到400C，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

o械变形也可以略作改善。只有在高温（~400C）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的显示器表层和电容式触摸传感器阵列。

o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（-80C到o o180C）、较高的玻璃转化温度（78C）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。

介电常数 ε(0.2– 2.5)THz 2.35 材料 损耗因子tanɑ

吸收 系数 ɑ

电阻 欧姆（Ω）

杨氏模量E（Gpa）

使用温度 固化条件

玻璃化转变温度 Tg

综合评价

参数

聚二甲基硅氧烷 聚酰亚胺 聚对苯二甲酸乙二醇酯 聚乙烯萘 苯(并)二氮 聚甲基丙烯酸甲酯 聚丙烯 聚对二甲苯 SU8 聚苯乙烯 0.020–0.06

2.9×1410

7.5×-410 2.5

-45～200

27℃，24h或70℃,1h 180℃,30min

-125 中等 53，94 3.24 2.86 0.031 12

1.7×1710

-269～400-80～180

350 好 95 0.053-0.072 4.0 80 优异 96，97 2.56 2.65 2.22 0.003 0.001-0.009 0.042-0.070 3

5.2 2.9

250℃,1h 180℃,2min

优异 96

＞350 优异 98，99 5.5×10

43.1 105 优异 99 2.25 3.00 2.89 2.53 0.008 0.120

1.0×1310 8.8×1610 5.1×1610 16

＞10

2.0

0～135 80

170 290

优异 99-102 优异 55-103 0.140 11

3.1

200 65

210 107

优异 104-10

差 101，106，107 表1 常用柔性基体聚合物材料的电磁性能、电性能、机械性能

图1 图示为柔性微器件的工艺顺序。a 弹性基板（PDMS）被旋涂覆到载体基板上。b 沉积金属薄膜，例：带有铬附着的金层。c-e 利用光刻和刻蚀设计金属层成目标结构比如共振器。f 光刻之后，将柔性基板与设计好的结构图形从载体基片上剥离。

为了加强功能性及更好的制造参数控制，柔性基板将通过覆膜、挤压或刮涂来与硅载体基板结合。其中硅仅仅是用来提供微细加工过程中的机械支撑。

在聚合物与载体硅结合的过程中，获得平滑的膜很重要，不能有捕获的氧/气泡、条痕和边缘珠，这些瑕疵将会干扰到微细加工进程或者是设备的性能。

将谐振器图形转印到柔性基板上以经广泛运用，转印技术包括传统光刻、掩膜印刷、电子束光刻、激光透镜阵列光刻、电镀和直接激光刻印。这部分我们论述盛行的工艺。

光刻工艺

微细加工技术是一种传统的科技，可以用来制作工作在THz频率上的超材料。这种技术可以制造出具有高分辨率的工作在THz频率的亚波长结构并且操作简单化，这也让它很适合应用在THz超材料的单层或多层的加工上面。图2 展示出用微细加工技术制作的柔性基板超材料。图2a和2b展示了用微细加工技术以PDMS为基的多层网格超材料。共振器刻印在金属（有附着层的200nm金薄膜）上，而这整体则沉积在旋涂覆固化的PDMS基板上。通常情况下，通过这种技术得到的微分辨的图形结构会和单层基板PDMS结合的更紧凑，从而可以避免金属的分层。

然而，由于亲水性和疏水性的不同而引起的形变或许需要强等离子处理，以此来使基片在微细加工时候更加协调，某些柔性基板的疏水性很难满足微细加工中的一些步骤比如旋涂光刻胶薄膜。然而，这种表面处理只是在持续时间短时有效并且旋涂光刻胶时依旧出现条痕。另外，微细加工技术只适合那种可以承受有机溶剂和腐蚀性溶剂的聚合物。

因此，作为备选微细加工方法，软光刻、掩膜印刷、图形转印技术也引起了人们的兴趣，以此来在柔性基板上制作超材料共振器。

掩膜印刷技术

掩膜印刷技术是一种无酸腐蚀的加工技术，用来制作平整多层的微纳特性。这种技术是通过一个模板直接沉积金属薄膜或氧化物，而不需要光刻和刻蚀。这种印刷术类似于制作衬衫时用的丝网印刷术。

下面我们对掩膜印刷技术作一个简单的叙述。图3a是一种掩膜，通常是用整个硅晶元或者铝箔刻蚀而成。掩膜放置在接触或者接近基片的地方如图3b。随后，通过电子束蒸发沉积金属或者介质层，应用掩膜的沉积的特点来将掩膜复制到基片上面。利用掩膜印刷技术，100nm左右线宽图形可以印刷到任意基片上面，包括易碎的化学活性强的聚合物和塑胶（图3c和3d）。这种方法可以大量生产纳米线宽的大面积图形。掩膜可以重复利用并且得到的图形高度一致。然而，由于掩膜与基片接触或接近，在沉积时候会有损耗，多次重复使用之后，其分辨率会大大的降低。

图2 利用微细加工技术制造的THz柔性基板超材料。a和b：在PDMS上的多层大面积的网格结构。c和d：聚酰亚胺上的共振器结构的加工。

图3 掩膜印刷术的加工工序。a 目标图案，在例子中是一种500nm大小的蝴蝶结形状。b 通过掩膜沉积。c 原子显微镜下掩膜印刷术加工的实物 d 用掩膜印刷术加工的柔性器件。

软刻蚀技术

软刻蚀技术是一种备选加工技术，通过它可以在聚合物上加工微米或纳米规模的图形。近年来，通过软刻蚀发展了很多不同的技术，这里主要讨论关于超材料加工的比较盛行的技术。软刻蚀用起来比较便宜，并且克服了光刻所遇到的一些问题，包括衍射极限下的刻蚀和高强度辐射能量的需求。软刻蚀工艺需要一种弹性材料的模板，这一材料由带有载体基片的PDMS构成（图4a、4b）。载体基片由适当的印刷技术根据图样尺寸制成。剥离载体基片，模板就形成了，完全具有载体基片的特征（图4c）。通过模板可以复制各种高清晰度的图形并没有对材料的限制。从载体上复制图形后模板通过强力按压在目标表面印制图形。经过固化后，移除模板，所要的图形就形成了，该图形可以独立存在。

另一种很普遍的方法是转印，在这里所期望的所有的材料如半导体、功能氧化物或者金属全部都可以在硅片基板上面得到。这样就可以让那既定图案转化技术和高温工艺得以实现。随后，这些图案可以用柔性模板“拾起”并放置于所选用的基板上面。之后将基板从载体上面剥离。转印技术有着很好的用处但是需要精确的控制各种靶材之间的粘附尺度：施主基板、柔性模板以及目标基板。

通过使用软刻蚀技术，可以克服一些别的所存在的柔性基板的限制：高温膨胀、附着力差、低加工温度和化学不稳定性。此外，这些技术也适用于大面积结构尺寸以及非常规表面刻印。

图4 两种常见的软刻蚀工艺原理图

a到c 弹性印模制作

a：将想要图案印在硅载体基板上

b：PDMS与随后的固化和铸造

c：剥离模板

d到f 图案转印到目标基板

d：通过滴铸、旋涂或刮涂将目标基板材料加在载体基板上

e：目标图形成型

f：将目标剥离载体基板

g到i 转印技术

g：使用PDMS将主基板图形复制出来

h：将PDMS图形压印在目标基板上

i：从载体基板上剥离

电子束光刻（EBL）

EBL使用经过加速电压极小波长的电子束从而来得到纳米级图案。与传统的光刻胶暴露在紫外光下相类似，EBL技术需要光刻胶、聚甲基丙烯酸甲酯或ZEP暴露在高能电子束下。这将会导致有机结构的断裂，这可以通过使用标准显影液来解决，将有机结构溶剂在显影液中，而不用暴露在电子束下。随后，溶解抗蚀剂，淀积金属或电介质层从而得到想要的纳米级图案。

该方法使用了剥离工艺，所以由EBL定义的初始模板需要是逆转的目标图案。EBL提供了很高的可能性来加工光刻衍射极限下的纳米尺度特征，而且不需要物理掩模来转移图案。对于超材料来说，EBL技术可以用来加工使用在可见光范围的亚波长分辨率谐振器。图5 展示出用EBL技术在光电聚合物（PC403）基板上的多层谐振结构。

图5 使用电子束光刻技术加工的包含4层金的超材料，间隔层是PC403 尽管EBL技术在纳米和亚微米尺度略有建树，但为了制作更大面积更高性能的超材料，有三个主要限制需要突破：由于该技术的串行特性而引起的写入时间长的问题、接口误差对周期性造成的影响以及电子束的较低的稳定性问题。

即使对小面积图案来说其写入时间也是较长，每次只对一个元件作用也决定了输出量的减小。例如，为3mm*3mm的图案写区也需要24个小时。此外，这种串行图案化工艺中还浮现出了一系列问题如由于漂移而引起的电子束的不稳定性。大面积图案所使用的多台移动导致了很差的分辨率和较大的连接缺陷。其次，拼接错误也导致了重复性图形单元制作时偏差的增加。

最后，电子束的稳定性和精确度也是影响该技术有效性的重要因素。波束阻断是一种外部电压源，被用来开和关电子束，进而进行纳米级特征加工。在长的写入时间中，当前的任何波动都会引起不一致的曝光，从而导致PMMA显影时间的不确定性以及引入几何误差。

3D加工技术

3D加工技术可以提供低于衍射极限的成像、隐身、量子悬浮以及感测能力，所以人们对它的兴趣日益上升。平面工艺技术简单易行，被用于多层三维超材料的加工上面。然而，这样的多层超材料经常遭受各向异性的困扰。在高级应用中，隐身斗篷需要很精确的各项同性的超材料，以此可以在一定空间内对介电常数和磁导率控制。具有各向异性的超材料，其介电常数和磁导率并不能通过平面工艺获得。因此，进一步发展纳米超材料的制作技术，需要实现各项同性的亚波长超材料。

有很多先进的工艺已经用于3D超材料的制作了，比如压印光刻、微立体光刻、立柱超晶格、多光子聚合、多层电镀（图6）以及干涉光刻。然而，这些先进的技术仍然有着很多限制，如工艺的复杂性、实现的可能性和转印到柔性基板的可行性。

通过综合激光写入与化学气相沉积技术，我们探索创建了3D开口环谐振器（SRR）。化学气相沉积可以实现目标结构可以均匀的涂覆金属膜，这一特性是物理沉积所达不到的。具有不同高度的SRR已被实验证明其谐振在不同的频率。

图6

a 电子显微镜下基于聚酰亚胺基板的竖直3D超材料

b 柔性3D超材料实物图，另附单元结构

聚焦离子束（FIB）铣削是另一个用于实现纳米尺寸特征的三维的制造技术，并且其可具有高的深宽比。用FIB技术设计制作的渔网型共振器是是第一批3D光学超材料中的一种，这些超材料具有各向异性的介电常数和磁导率，并且有较宽的频谱。这种3D网格结构来源于多层金属和导电层的沉积，银层（11层）和氟化镁层（10层）交替，共21层。随之使用FIB技术来刻蚀具有高深宽比的纳米尺度特征（图7）。

图7 由聚焦离子束铣削加工的21层网格结构 银层（11层）和氟化镁层（10层）p=860nm,a=565nm,b=265nm.Chanda 等人使用了类似的刻印技术用等离子体刻蚀一种网格结构，同时也用上了纳米刻印技术和多层电子束蒸发技术，以此来实现超材料的负透射率。这种网格结构可以转印到PCMS基板上面，然后再使用转印技术将其复制到坚硬的基板上面（图8）。上述纳米工艺可以应用到红外和可见光频率范围的大面积3D超材料上。将来，综合了刻印技术与大面积光刻技术之后，可以加工具有大的负透射率的材料，而这种材料现在是由于压印的印痕、低的深宽比和低的可重复性而不能实现。

图8 a 纳米转印技术原理

b、c 电子扫描显微镜下的硅模板

d 多层超材料转印到目标基板

三维DLW（direct laser writing）技术可以用来开发研制复杂几何形状的超材料。该技术包含了很收敛的激光束在光刻胶体积内入射到衍射极限光斑上。这就可以实现三维亚微米结构的制作，也可以将图案加工在任意形状或者复杂的相互交联的材料网络，上面这些技术是传统光刻所达不到的。尽管直写技术可以实现高分辨率，但它的出产率很低且只可用于特定范围的基板。使用多波长的激励/消耗技术可以改善工艺分辨率。近来，吴等人建立了一种替代的方法，通过使用一种全金属、自支撑的手性材料，可以实现高深宽比、宽带圆二色谱特性，这种材料可以由印刷和热印制而成。Buckmann 等人展示了一种修正的“插入式”DLW技术，用以获得微米尺度的超材料结构。使用标准的DLW技术制作的超材料高度局限于几十微米。对于“插入式”3D DLW技术并没有这种限制，光刻胶本身作为基板与镜头之间的浸没液。这就可以使制作工艺总高度达到毫米量级。图9展示出一种典型的3D超材料在SEM显微镜下的图像，这种超材料是用DLW技术加工的，并且有着机械可调谐性。

图9 扫描电镜下不同倍率的3D超材料

掩模光刻（MPL）是另一种可以加工微米规模3D超材料的先进技术。使用这种技术，SRR可以直接刻印在立方体取向的SU-8基板上。基于如此精确的控制，通过复杂图案的加工，MPL技术有可能会彻底改革未来在红外和可见光频率的3D超材料结构。采用MPL技术设计的SRR是用来将磁场耦合到入射电磁波上。

尽管上述大部分技术都有希望用于3D超材料的制备，但它们并没有足够的灵活性。一些技术是复杂的，需要多个制作步骤，这会降低结构的分辨率；另一些则受到材料和基板选择的限制。此外，转印技术依靠表面的化学活性所以也是一种基板依赖型。虽然综合的软光刻和光刻技术已经被用来将图案直接转印在高度弯曲的基板上，但实现高分辨率的图案（<0.1）仍然是一项挑战。

超材料的调谐技术

机械调谐

可机械形变的柔性基板通常用于调谐超材料的谐振频率。将拉伸力作用在基板上，改变谐振器的几何形状，也改变了其电磁耦合，进而就改变了谐振频率。这种方法已经被用于调谐Fano共振通过对PDMS膜施加单轴机械应力。等离子纳米结构的调谐对可调谐纳米光子器件的发展提供了新的途径，比如可调谐滤波器和传感器。由于等离子纳米结构对结构参数的高灵敏度，机械调节十分有效。同时，机械调节也可以对米结构或纳米单元结构的做对称性调节，这种性能对光学特性有着很大的影响。

弹性基板的机械形变可以通过控制方式来修改谐振元件之间的距离。图10表示使用PDMS基板的超材料已经被用在THz和可见光频率范围的调谐。图10（a）表示一个在可见光频率可调谐的SRR超材料，其调节原理是通过柔性PDMS基板的机械形变来改变谐振频率。谐振器的机械调节是拉伸基板时，在可见光频率基板的拉伸变化比谐振线宽的大。实验验证表明SRR结构在相对大高达50％的单轴应变所造成的共振频率的变化可达4％。此调谐机制也被用来调节表面增强红外吸收，其反射信号可达180倍的提高。

在PDMS基板上面加工的等离子表面领结型天线同样也用纳米模板光刻技术。结型天线之间的缝隙可以诱导独特的电磁响应，如等离子体所引起了透明度与大的近场强度。由于这些结构的机械形变，当缝隙以10nm为步长从45nm到25nm变化时引起频率的红移。这种印在PDMS上的超材料可以覆盖在非常规表面上，比如光纤，这就可以使新的功能性光子探测和天线得以研制，将可以在远程监控环境的变化。

图10（b）展示出另一种用来机械调节THz频率的超材料的结构。图示为一种在被拉伸了的PDMS基板上面的超材料。材料的单元结构贴在褶皱的结构上面，这种结构的最高形变率可达52.1%，因此允许更宽的传输响应和机械可调谐性。

图10 以PDMS为基板的机械可调谐超材料

a 光学超材料

b蜂窝THz超材料

c 左边两个平整的THz超材料

右边两个交错的THz超材料

图10（b）中蜂巢结构超材料的布置是完全均衡的，以此来达到非偏振的响应。然而，处于褶皱状态时，结构的电磁响应对极化非常敏感。实验证明其对TE波的传输响应要比对TM波的传输响应高90%。褶皱超材料的极化依赖特性已被用来作相位阻滞器。

图10（c）所示图形是谐振频率在THz范围可调的”I”型谐振器，分为两种，有或者没有交错的缝隙。拉伸10%就可以达到8%的谐振频率调节。相比于图10（a）的拉伸50%才有4%的可调范围好了很多。“I”型结构谐振器延展成对称性的结构来得到依靠极化作用调谐的结构，在压变传感方面有很大的发展空间。

尽管别的方法也可以用来处理共振器，这些方面下面两部分会提到，机械形变调谐有着不可动摇的地位，它可以在不改变材料组成的情况下精确控制整体的设计、对称性以及系统的响应。

除了机械调谐以外，还有其他好多的调谐方法。包括机电位移、热退火和改变超流体密度。综合了相变器、半导体、石墨烯、碳纳米结构、非线性和液晶的超材料也是一个新的研究热点，Zheludev等人研究论述了这些问题。另外一些别的调谐技术的研究也将在下面文章中做出讨论。

机电位移 将机械形变调谐的概念扩展，应用电激励来诱导机械压力的变化，引申出了机电调谐。在机电调谐中，谐振器的机械形变是靠外部偏压来诱导的。林等研究人员利用微机电系统研究了一种在悬臂结构中浮空的有双开口环阵列的共振器（DSRR）。悬臂结构取代了外加偏压的激励，随后利用其自身悬臂压力的变化来反馈真实偏压的变化。DSRR的这种机电调谐可以用来展示在THz方面的可调谐滤波器。在这里静电力取代了偏压来控制悬臂的曲率。20V的偏压可使谐振频率可调0.5THz。

其他的调谐技术

这部分我们讨论对不同硬度的基板超材料所使用的调谐技术。这些技术可以用来调谐柔性超材料。基于柔性材料的更高的自由度，在外部激励下获得更多的内部磁化，使用晶格位移技术、热激励技术有望提高材料的可调谐度。

晶格位移技术

图11（a）所示为可重构超材料的概要，Lapine等人研发的晶格结构调整被用来调谐超材料的传输特性。他们利用对晶格参数有依赖作用的谐振频率，并且改变xy平面的各层周期横向位移。超材料的侧向位移导致的谐振器在x或y方向上的移位，从而导致谐振频率的剧烈变化如图11（b）。使用这种方法，可以达到谐振频率的连续调节。这种调谐技术可以用在更加宽的电磁波段和其他形状的谐振器中。为了实现这种智能的在高频连续可调的超材料，能够产生大面积多层超材料结构的微、纳米工艺是必须的，同时可以在三个方向都能良好控制的晶格位移材料也是不可或缺的。

图11 晶格位移所制作的可重构的超材料

a 超表面位移原理

b 不同胶片下的传输响应

热激励

实验证明使用温度来控制介电常数这一方法已经被用在调节THz波段的谐振器。这依赖于氧化物包括温度感应在内的多功能特性。由SrTiO3制成的于温度相关非磁性棒已经用于调节THz频率，其调节是通过控制温度完成的。实验证明温度从300K变化到120K时，谐振频率改变了44%。

热激励也被用来调节超材料。一个由悬臂支撑的SRR超材料也被证实可以用在调谐电磁反应，它的悬臂平面对热退火反应较为敏感。然而热退火致动过程是种被动调谐，调谐中的SRR一旦改变就不可能再返回到初始状态。因此，像电阻、压电和静电致动这样的调谐技术必须要进一步的研究才能用来调谐超材料。

结论和展望

在本文中对柔性可塑基板的超材料最新进展做了基本的介绍。包括超材料在现实设备中的使用、国家最先进的工艺技术和对柔性基板超材料的调谐（或者扩展到一些柔性器件的关键性技术）。

超材料以经可以制作在各种聚合物上，这些聚合物的特性在超材料的功能中起着很大的作用。这项工作着眼于普通聚合物的细节特征，研究人员详细的总结了这些聚合物的使用方法。具有低电耗和优良机械特性的基板是用作调谐超材料的优先选择。

综述了柔性基板超材料的制造工艺。传统的微、纳加工技术被广泛用在THz和可见光频率器件上，并且正向着新技术转化。掩模刻蚀技术和纳米压印光刻技术也以及克服了一些由柔性基板的引入而出现的问题。膜投影光刻和直接激光写入技术在复杂图形方面略有建树，肯能加工出复杂的各项同性超材料结构。

机械形变调谐很有希望获得有适合响应的可调谐超材料而不加入别的复杂设计和构造。这种技术可以得到超材料的动态调谐而不需要加偏置电压、非线性分量和MEMS开关。此外，机械调谐并不受使用频率的限制，它可以扩展从微波、THz到可见光波段。通过分子水平加强了动态表面红外吸收，机械调谐超材料的能力达到了新的高度。对于柔性基板，超材料和等离子纳米结构对材料的结构参数十分敏感，这为光子电路、生物系统、天线、传感器（应变、温度、电介质、生物分子、化学等）、俘能设备、可调谐隐形装置提供了新的技术创新，可以让它们工作在更宽的频率幅度，克服了特定波长和角度的限制，还有可以使用超透镜在原子尺度成像。为了使这些应用更好的实现，新的研究正在开展来研发出有更好分辨率的谐振器使用在更高的频率波段、更大面积的柔性基板、3D超材料、各项同性响应结构、更快的调谐能力的机械可调谐超材料。

超材料的局限性突破通过使用柔性可塑基板实现了更宽的可调谐性。到目前为止，这有趣的工作已经突出应用在了THz超材料领域，并展示了天线、滤波器、吸收器和传感器的实用性。主要由于缺乏用于控制THz频率所需的光子元件。进一步的研究正在展开，以实现3D THz超材料的流行应用。目标将会是各项同性响应超材料，它开辟了超材料在THz、红外以及可见光频率的使用。调谐机制的发展和制作工艺的进步是未来超材料发展的关键因素。

超材料天线以其自身的优势，打开了市场的需求，市场上有轻质、高效路由器，移动电话和机场扫描仪。然而，集成天线的其他功能就没那么有优势了，不过这种情形可以通过使用柔性基板来改善。出于超材料本身吸收与传输电磁波能力，它也被用来俘获电磁能量。尽管这种俘能设备以经证明可以使用在微波波段，实际还是需要更高分辨率的大面积的纳米结构，用来使用在更高的频率。未来的超材料，从简单的充电设备到房屋里的窗户，都可以吸收以前认为不可能的电磁能。

由此可以得出结论，柔性聚合物可以在机械形变调谐中展现优势。使用柔性基板的超材料可以联接其他组件和非常规表面。在柔性基板上加工更高分辨率的微、纳规模的图形，这种加工工艺是未来超材料发展的关键。

致谢

澳大利亚研究协会承认项目DP1092727(MB)DP1095151(WW)DP110100262(SS)和DP130100062(SW,SS).感谢维多利亚和AFAS-Vic协会的支持，感谢参与本文的合作者和同事。

第三篇：TRIZ理论及应用研究论文

[摘要] 本文在对TRIZ理论的定义、基本原理和体系结构概括介绍的基础上，分析了TRIZ在生产管理系统创新中的应用与不足之处，提出了改进建议。

[关键词] 创新 TRIZ 生产管理系统

对于企业来说，创新涉及到工程领域与企业生产经营管理。TRIZ理论作为工程领域解决创新问题的最有力的方法，目前已扩展非工程领域创新研究中，本文主要针对生产经营管理领域的应用进行研究。

一、TRIZ理论方法

在TRIZ之父Altshuller的领导下，TRIZ研究团体分析了近250万件高水平的发明专利，并综合多学科领域的原理和法则后，建立起由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的TRIZ理论体系。

1.TRIZ 体系结构

TRIZ提供了发现、解决问题的工具和技术，可以帮助设计人员避免解决问题过程中繁琐的试凑工作。TRIZ方法论包含分析工具和基于知识的工具。

(1)TRIZ分析工具。分析工具包含物质－场分析、ARIZ算法、需求功能分析等，这些工具用于问题模型的建立、分析和转换。①物质-场分析：TRIZ将所有的功能都分解为两种物质及一种场，产品是功能的一种实现，可用物质-场分析产品的功能。物质S1可以是被控粒子、材料、物体或过程，物质S2是控制S1的工具或物体，场F是用于S1与S2之间相互作用的能量，如机械能、液压能、电磁能等。② ARIZ算法：ARIZ称为发明问题解决算法，是发明问题解决的完整算法，该算法采用一套逻辑过程逐步将初始问题程式化。③功能分析：从完成功能的角度分析系统、子系统、部件，设计中的重要突破、成本或复杂程度的降低往往是功能分析的结果。

（2)基于知识的工具。基于知识的工具包含40条发明原理、76个标准解和效应数据库。①40条发明原理：用于找出创新的解决方案。每一种解决方案都是一个建议，应用该建议可以使系统产生特定的变化以消除技术冲突。②76个标准解：用于解决基于技术系统进化模式的标准问题。按照目标这些标准解被分为五类，分类中解的顺序反映出技术系统的进化方向。③效应知识库：库是TRIZ中最容易使用的一种工具。运用库中的各种物理、化学和几何效应可以使解决方案更理想和简单地实现。

2.TRIZ解决问题流程

应用TRIZ解决问题的第一步是对给定的问题进行分析；如果发现存在冲突则应用原理去解决；如果问题明确但不知道如何解决，则应用效应去解决；第三种选择是对待创新的技术系统进行进化过程的预测；最后是评价，确定是否满足求。如果满足要求，则进行后序的设计工作；反之，要对问题进行重新分析。

二、TRIZ的应用

在欧美等发达国家，基于TRIZ理论的应用非常广泛，从工程领域到政治、生产管理、组织结构、教育等非工程领域，无不显示出它的生命力。

1.TRIZ在企业生产管理领域创新中的应用

在参考工程领域的创新问题求解技术的基础上，通过演绎推理的方法提出的在生产管理领域创新中应用TRIZ是完全可行的。近几年来，有些学者通过对TRIZ 方法及工具的局部修改后，应用在管理领域上。Mann & Domb把40个创新原理引入到商业活动中，就每个创新原理提出相应的商业原则，建议当企业面临类似的问题时可以利用此40 个创新原理作为解决的对策。Ruchti& Livotov利用TRIZ 系统化的思考模式和解决问题过程，提出12 条双向原则作为解决商业与组织管理问题的参考。

2.TRIZ应用于企业生产管理创新中的不足

应用TRIZ理论解决企业生产管理创新问题时，完全挪用工程领域的理论框架并不可取，解题工具仅仅利用40个创新原理和冲突矩阵使用面太窄。TRIZ 直接用于生产管理领域创新失败的主要原因包括：结构失效、问题分析方法单

一、解题工具不足、算法不能适应生产管理领域创新问题、操作性差等。

3.TRIZ在生产管理领域创新中的应用改进建议

(1)根据TRIZ的思想和基本哲理，结合生产管理领域创新的特点，构建面向生产管理领域创新的TRIZ理论体系；(2)针对生产经营管理的特点，在39个通用工程参数的基础上进行增减，确定生产经营管理参数，进而构建一个新的生产经营管理冲突矩阵，并且修改40个创新原理，作为改善的策略。充分运用物质─场模型功能描述的特点和76个标准解，拓宽解题工具。(3)把质量功能布置（QFD）、六西格玛设计（DFSS）、约束理论（TOC）、田口方法等方法与TRIZ进行结合，以改进TRIZ分析生产管理领域创新问题方法单一的缺陷。(4)进一步细化生产管理领域的问题描述，逐步做到以定量分析为主，提高可操作性。

三、结论

本文介绍了TRIZ 基本理论和主要工具，探讨了在生产管理领域创新中的应用。针对其在解决生产管理领域创新中存在的一些问题，给出了应用改进建议。我们相信随着TRIZ 理论的发展，其在生产管理领域创新中的应用操作性会愈来愈强，应用范围会越来越广，成为解决生产管理领域创新的有效方法和手段。

参考文献：

[1]Mann&Domb, “Systematic Win-Win problem Solving In A Business Environment”,The TRIZ Journal, www.xiexiebang.com., 2002

[2]Ruchti, B&Livotov, p, “TRIZ-based Innovation principles and A process for problem Solving in Business and Management”, The TRIZ Journal,www.xiexiebang.com., 2001

第四篇：现代机械强度理论及应用

关于钢丝绳的疲劳断裂综述

课程：现代机械强度理论及应用姓名：学号：专业：机械工程

关于钢丝绳的疲劳断裂综述

摘要

本文主要是对国内关于钢丝绳疲劳断裂问题研究的报告论文进行综述性的的总结，主要是关于钢丝绳在材料选择，加工工艺，热处理，表面磨损，疲劳强度等方向上的国内论文进行综述性的总结归纳，以更好的了解国内对钢丝绳疲劳断裂问题的研究进展。

Abstract This paper mainly reviewed the summary of the domestic research on the problem of wire rope fatigue fracture report papers, mainly on the wire rope in the choice of materials, processing technology, heat treatment, surface wear, fatigue strength and direction of the domestic paper reviewed the summary of domestic research on the steel wire rope fatigue fracture problems the progress in understanding better

关键字 疲劳断裂、磨损、引言

钢丝绳是一种柔性空间螺旋结构钢制品，将热轧钢线材冷拉成钢丝，然后按一定规则捻制成螺旋状钢丝束，其承载力和强度较高，且具有柔软性和吸收阻尼等优点，被广泛应用于矿山机械、航空航天、机械加工、建筑施工、桥梁建设和交通通讯等领域，其安全与否直接影响到各行业的安全生产使用和经济问题。例如，电梯钢丝绳安全与否是保障电梯安全运行的重要因素，直接影响到人流的运输甚至危及生命，所以在对电梯进行安全检测时，应将电梯钢丝绳的安全检测作为核心部分;起重机用钢丝绳一般用来悬吊重物并传递动力，其安全性是人们长期以来一直关心的问题;在架空索道中，钢丝绳扮演着缆车牵引的角色，钢丝绳是否安全可靠直接关系到缆车的安全性能;矿井提升钢丝绳担负着提升煤炭、升降人员和下放材料等重要任务，是维系井下和地面的主要运输工具，在整个煤矿生产中占有非常重要的地位，其可靠性直接关系到矿井正常生产和人员生命安全，一旦出现钢丝绳断裂，轻则财产损失，重则井毁人亡，造成重大事故。

目前，国内对钢丝绳的研究已经十分丰富，研究手段也越来先进，比如，应用显微镜观察钢丝绳微观裂纹，研究其断裂源的萌生及裂纹的扩张。运用金相分析研究其表面磨损材料的组成等。下面我们就几种典型的方法进行综述。

一、国内状况

1.微动磨损对疲劳断裂的影响

张德坤等采用拉-拉疲劳试验并在显微镜下观察微动磨损导致钢丝绳磨损深度与横截面积损失对疲劳强度的影响。得到了疲劳试验中轴向应变随载荷变化保持稳定而疲劳寿命随磨损深度与横截面积损失而减小的结论。证明在微动磨损中疲劳强度与轴向应变关系不大，疲劳寿命减小的主要原因是:随着时间的增加微动磨损缺口处磨损深度不断增加应力集中现象严重，使缺口深度进一步增加并向周围扩散形成裂纹源，随着施加应力裂纹进一步扩散造成大量横截面积损失致使疲劳强度下降超过其断裂强度导致材料断裂。

2.小直径钢丝绳的轴向疲劳特征分析

王春晖等通过运用合声发射技术与显微分析手段对小直径钢丝绳进行疲劳断裂分析画出其S-N曲线。发现：以第六根钢丝断裂为准，第一根断丝与第二根断丝断丝时间间隔较长而后三根断丝时间间隔较短且后断丝所受载荷大小对其寿命影响不明显。当疲劳载荷降低到某一值时后三根钢丝几乎同时断裂而继续下降则疲劳寿命又极大增长。这说明正根钢丝绳并不存在真正的疲劳寿命极限，主要原因是钢丝绳是丝股捻织成的复杂组合体，丝与丝之间股与股之间在运作过程中存在接触应力，摩擦应力以及微动磨损导致其疲劳失效原因十分复杂。同时通过显微观察先断丝疲劳区大瞬断区小断面更光滑，这主要是由于先断区受力较小且被夹在诸丝之间不断被挤压研磨，而后断丝瞬时区较大且较为松散断裂较为迅速致使其断裂面较为粗糙。3.断裂区表面材料金相分析钢丝绳断裂原因

张德英通过宏观检验与金相分析研究发现：在同一截面断裂处磨损一侧有白亮层其为马氏体组织，而未磨损一侧处为正常索氏体组织与少量铁素体钢丝绳外表面马氏体连续而钢丝表面马氏体不连续，从而说明钢丝绳在高速运转过程中由于润滑不良而产生极大的摩擦使钢丝绳表面产生大量马氏体组织而马氏体相本身是一脆性相，耐磨性极差疲劳裂纹首先在马氏体处产生使钢丝绳断裂，所以表面马氏体极大降低了钢丝绳的疲劳强度。

4.钢丝绳的外观缺陷对其疲劳强度的影响

徐涛通过实验发现钢丝绳表面损伤，腐蚀，断丝与钢丝交错对钢丝绳疲劳强度都有影响，首先绳股松弛不均一般其疲劳强度与正常钢丝绳无异，但其会使钢丝绳更易于与滑轮发生摩擦导致其疲劳强度下降。锈蚀与表面磨损易使钢丝绳产生表面裂纹，其在拉力作用下发生应力集中现象从而使裂纹不断扩张直到钢丝绳断裂。存在断丝会使其余钢丝上的载荷加剧，而断丝处往往又是应力集中处这样又会使此处钢丝绳载荷加大断裂进而导致整个钢丝绳断裂。钢丝的交错对钢丝绳的拉伸性能影响并不明显，但是钢丝的交错处是疲劳裂纹，应力集中发生的根源，发生交错会极大减少钢丝绳的疲劳寿命。5.钢丝绳的热处理及拔拉过程对其强度的影响

黄忠渠通过分析钢丝绳热处理过程中的索氏体化是否完全发现：在热处理过程中如果淬火阶段钢丝绳索氏体化越完全其疲劳强度高，但由于钢丝绳加热温度，淬火温度及淬火速度不易控制致使钢丝绳索氏体化不完全从而极大降低了钢丝绳的强度。

同时，在钢丝绳的拔拉过程中由于拔模质量的原因致使钢丝绳在拔模孔中变形不均匀，在远离钢丝绳中心的边缘区受到过多外摩擦力与孔模影响使其变形较大硬度较高，所以当孔模表面较粗糙时，由于受力变形不均致使钢丝绳内部残余应力较大疲劳强度降低。

二、国外情况

Jeong-In Suh运用了拉丁方设计法进行吊桥钢丝绳绳的疲劳试验，以测试其应力范围，平均应力和试样长度三种参数对吊桥钢丝绳的轴向疲劳的影响，结果发现应力范围的影响结果和预期是一致的，但试样长度的影响却与预期结果相悖，而平均应力的影响则随着所选的应力范围的变化而变化。Marco Giglio等进行了在恒定载荷下直升机救援提升钢丝绳的弯曲疲劳试验，发现如果减少要钢丝绳的机械性能的损伤，必须限制测试装置的摆角在28。以下这样才不会发生疲劳损伤，而在较大摆角的情况下，钢丝绳内部会经常断丝，Paton等开展了六股绳与螺旋钢丝绳的拉一拉疲劳行为研究，来检测实验过程中钢丝绳强度和刚度度的变化，得出了刚度和强度之间的线性关系，并且确定了剩余疲劳强度和疲劳周期的关系，并且确定了六股绳和螺旋绳新的疲劳下界为其损失10%的强度，它有益于制定钢丝绳报废标准 展望

现在关于钢丝绳的疲劳断裂问题国内国外多是集中在其磨损裂纹，材料性质，加工工艺等方面，而对钢丝绳具体的受力分析，及每条钢丝的受力状态的分析很少，这主要是应为钢丝绳及其每条钢丝应为加工工艺，捻股及工作环境不同使其受力很难分析，今后可能会在钢丝绳钢丝受力分析上及运用能量法等方式对其疲劳断裂的研究。

参考文献：

钢丝的微动磨损及其对疲劳断裂行为的影响研究_张德坤

徐涛，徐臻，黄志伟，等.钢丝绳外观缺陷对其力学性能影响的研究 张德英，单联敏.钢丝绳使用中断丝原因分析

影响钢丝绳疲劳断裂的因素及提高疲劳寿命的技术措施_黄忠渠 小直径钢丝绳的轴向疲劳断裂特征分析_王春晖

第五篇：水工结构抗灾理论及应用

浅谈水利抗灾减灾

[摘 要]: 本文根据水利工程安全工作的长期实践和研究，论述了水利抗灾减灾的重要性；论述了水利安全工作以人为本，加强管理、开展非工程措施工作，打造安全可持续工程的做法及重大意义。最后，阐述了新世纪中国的水利抗灾减灾工作应立足于社会、经 济、环境的协调和可持续发展。

[关键词]：水利工程；抗灾减灾；可持续发展

1.前言

水利是现代农业建设不可或缺的首要条件，足经济社会发展不可替代的基础支撑，是生态环境改善不可分割的保障系统，具有很强的公益性、基础性、战略性。加快水利改革发展不仅事关农业农村发展，而且事关经济社会发展全局；不仅关系到防洪安全、供水安全、粮食安全，而且关系到经济安全、生态安全、国家安全水利具有很强的公益性质，从一定意义上说是一种公共产品，不仅关系到经济社会发展，而且关系到人民群众的生产生活和生命安全。因此，在大力加强水利建设的过程中，必须采取综合措施，提高水利的防灾减灾能力，确保广大人民群众的生命财产安全。

2.我国水利抗灾进程

新中国成立以来，人民政府领导全国人民进行了大规模的水利水电建设，取得了举世瞩目的伟大成就。截止1999年底，全国累计建成水库大坝8.6万多座,3其数量居世界首位；因此而形成的水库总库容达4 6 0 0亿m,约为全国河川总

径流量的17％，初步控制了大江大河的常遇洪水;并形成了5 6 0 0多亿m3的年供水能力，建成了水电装机7927万k W。水利水电建设为保障国家的经济发展和社会进步发挥了重要的作用。但是，大坝是一把双刃剑。一旦大坝失事溃决，一百多万方，一千多万方，甚至数亿方库水在几小时，甚至几十分钟内，奔腾而下，形成数米高，甚至几十米高的水墙席卷下游，所到之处，万物荡然无剩，不仅给 水电厂带来巨大损失，而且给下游人民生命财产、生存及发展环境造成毁灭性的灾害。1963年8月上旬，当海河出现特大洪水时，水库大坝冲毁319座，其中中型水库5座，死亡人数达 1464人，财产损失约60亿元。1 975年8月，淮河发生大洪水，溃坝22座，其中包括板桥、石漫滩两座大型水库溃坝，造成二万多人死亡，京广铁路中断48d，财产损失约100亿元，生态环境也遭到严重破坏。据统计，我国至今约3000座坝垮坝失事，溃坝率达 3 ．5 ％，高于世界平均溃坝率。因此，大坝急需加强管理。1985年11月，水利电力部批文成立了水电站大坝安全监察中心。对部属水电站(国务院体制改革后，国家经贸委授权对全 国电力系统)大坝安全工作进行规划、监督、指导和服务。“ 安全第一，预防为主”是大坝安全管理的基本方针。根据这一方针，水利部以人为本，做了大量非工程措施的工作，并取得了较好的效益。

3．水利抗灾减灾的措施

3.1积极运用传感技术和传感网预防洪水、滑坡、泥石流等灾害

随着信息网络技术应用的不断深人，集信息获取、数据传输与处理、智能决策于一 身的新兴传感技术和传感网，在防灾减灾中得到了日益广泛的应用。发达同家利用传感 网进行防灾减灾起步早，很多同家已经形成了准确获取灾害信息、及时发布灾害信息和应急处置联动的快速反应机制，取得了显著成果。比如，在洪水监测预警方面，日本已经建立了高密度的地面自动监测网站。在200 km左右的小流域设置水文观测站点就达4 0多个，对及时发现小范围洪水灾害并及时通知人员避险发挥 了重要作用。美国、加拿大、澳大利亚等幅员辽阔、人口密度较低的同家则采用适当密度的地面自动监测站网和高频次卫星对 地观测相结合的模式进行水文监测。在滑坡、泥石流监测预警方面，日本建立了灾害多发地区泥石流预警系统，通过上游泥石流形成区降雨资料的统计分析和比较判别，确定临界雨量报警线，并自动发出报警信号。美国1985年就在旧金山湾地区建立了滑坡泥石流预警系统，运川地面伸缩仪、倾斜仪、地声监测仪、地下水压力传感器和雨量计等进行实时监测。

我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，近年来频繁发生的洪水、泥石流、滑坡等自然灾害给人民群众生命财产造成重大损火。由于资金、技术等原因，多年来，我预防洪水、泥石流、滑坡等自然灾害方面一直注重传统的“群测群防 ”。以人丁巡视巡查为主，虽然也取得了很大成效，但由于技术手段比较落后，在夜晚或恶劣大气时很难取得准确的观测结果，从而在灾害险情出现时及时通知灾区居民的难度较大。极易错失预警时机，巡视巡查人员的自身安全也受到威胁。近年，我同积极运用传感网防灾减灾,但从总体上看，与发达同家仍有较大差距，存在一些有待解决的问题。比如，在水情监测方面我国水文站网大部分分布住较大河流和大型水库，而中小河流站点极少，特别是在洪灾害多发区，捕捉突发性暴雨山洪第一于实测信息的能力史差。这种状况难以适应日益严峻的防灾减灾形势。有关研究表明，防灾减灾传感网建设所需的资金投入远远小于由于灾害预警预报不及时所造成的财产损失和救灾重建费用。因此、在“ 十二五” 期间，应制定和完善有关政策措施，尽快推广普及传感技术和传感网在预防洪水和滑坡、泥石流等灾害方面的应用。应在科学规划、合力布局、改造原有网站和建设新网站齐头并进的基础上，增加传感网建设投入，简化项目审批程序，加快建设进度，推动动我科技防灾减 灾能力实现跨越式提升。同时，应完善有关法律法规。明确地方政府相关职责，增加人力、技术、管理等方面专项经费，以保障传感观测站点的日常维护和传感网的运行质量。

3.2开展广泛而持久的安全教育

依法治坝、科学防灾，这是完全不同于以往传统的管坝思路和管坝方式。为了使依法治坝、科学防灾深入人心，就需要对大坝运行管理人员进行广泛而持久的大坝安全教育。国家电力公司历来重视大坝安全教育。坚持每年汛前召开水电站防汛和大坝安全工作会议，宣传防汛和大坝安全工作意义，总结和交流上一年防汛经验，分析当前防汛形势，落实责任制，落实防汛任务和要求。大坝安全培训是大坝安全教育的重要形式，根据我国电力系统现阶段 的管理格局，大坝安全培训采用三级培训。

采用请进来和走出去的办法，加强了与国外的技术交流，学习国外先进管理技术。1 9 9 2年，在杭州举办了大坝安全监测技术国际学术会议，1999年，又在三峡举办了大坝安全监测技术国际学术会议。为了普及和交流大坝安全科学

知识，成立大坝安全监测信息网。现有教育、科研、设计、施工、仪器厂家、管理部门、运行单位等近2 0 0家参加。每年开展活动，进行多学科交流 ；成立水力发电工程学会下的大坝安全管理专业委员会和大坝安 全监测专业委员会，开展科学普及和信息交流工作。

3.3持续不断地开展安全检查

安全检查是及时发现大坝安全隐患的一项重要手段，与仪器监测相辅相成。通过安全检查可以及时发现大坝一些异常现象，如裂缝产生，新增渗漏点，混凝土冲刷和冻融，坝基析出物，局部变形等等，这些缺陷用仪器监测常常反映不出来；并且，当前仪器是采用单点监测的方法，很难做到监测部位恰恰是大坝出事地点，如美国1971年提堂坝失事，当时在右岸的一个窄断层 突然发生管涌，不到6h就造成垮坝，而监测仪器对此却没有记录。据捷克斯洛伐克和法国统计大坝7 0％的老化现象和异常现象是由有经验的技术人员在现场检查 中发观的。我国柘溪和梅山大坝出现险情，也是在现场检查中发现的。因此，只有仪器监测是不够的，必须同时开展安全检查。根据安全检查的不同深度，大坝安全检查分为日常巡查，详查，定期检查和特种检查四种。

3.4强化法制建设推行依法治坝

大坝安全管理工作千头万绪，抓制度、抓法治是根本。国家提出实行依法治国，建立社全主义法治国家，这一治国方略落实到大坝安全管理上，就是依法治坝。因此，“大坝中心 ” 在边组建的情况下，就组织力量，代部编制了《 水电站大坝安全管理暂行办法》，经过大量工作，1987年9月由水利部颁布试行，这是我国第一部专门性的大坝安全管理法规。《 水电站大坝安全管理暂行办法》对大坝安全管理内容、工作程序、要求都做了规定，特别是明确了防灾减灾主体，明确了生态市场经济主体，明确了大坝安全责任制。根据“谁管的水电站，谁承担大坝安全责任” 的原则，规定了电力系统各级管理机构在大坝安全管理中的责任，规定了勘测、设计、施工、监理等参加水电站大坝建设单位对大坝安全应负的责任，也规定了政府 的责任。它是中国现阶段工程建设的管理体制和大坝安全工作机制的反映。当大坝安全责任 制在行政法规上作出规定后，使一级管一级，一级抓一级更具确定性、权威性和严肃性，这非常有利于大坝安全管理工作的开展。

3.5实施可持续发展战略，进一步做好水利安全工作

新世纪中国的水利建设将立足于社会、经济、环境的协调和可持续发展，这也是时代向大坝安全管理提出的要求。中国是世界上最大的发展中国家，为了确保中国人民生存和发展所需要的水资源，保护和改善人民居住环境，提供优质的电力，管好大坝，责无旁贷。实施可持续发展战略，安全工作是重要 内容之一。

4.结语

水利工程安全工作至关重要，它涉及到千百万人民生命财产的安全、国民经济的发展和社会的稳定，是全社会所关心的公共安全问题，责任重于泰山。因此，做好水利的防灾减灾工作是必要与刻不容缓的。水利防灾减灾工作取得了很多成功，也面临很多困难和挑战，等待着我们去解决。水利防灾减灾能力的提高是我们持续面临的一个问题，我们在吸收引进消化创新方面已经取得了很大成效，更好的服务于我国的水利事业又不断鞭策着我们为水安全做出我们更大的努力。

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