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美荷科学家合作研发氮化硅纳米超材料

发布时间:2019-02-07 02:08:56  来源:互联网   阅读:0

美荷科学家合作研发氮化硅纳米超材料

“超材料”是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料,其能采用天然材料无法做到的方式弯曲、散射或传输电磁波。不过,迄今为止,研制出的“超材料”的魔力还十分有限:只在单层的二维材料上取得了成功;“负折射”特性也只出现在微波范围。对于波长更短的光,比如人眼适应的可见光,还无能为力。

光的相位速度和波群速度控制着光在一种介质中的传播。相位速度决定了波峰和波谷在该介质中的运动,波群速度则描述了能量的传播。根据爱因斯坦的理论,光能的传播永远不会快于光速,因此相位速度虽没有物理限制,但波群速度是有限的。当相位速度变为零时,波峰和波谷的运动消失,此时其波长看作是接近无穷大的一个极大值。然而在自然界并不存在这种性质的材料。

据介绍,该材料有望在新型光学元件、光线路等领域大显身手,也可用于设计更高效的发光二极管。研究人员解释说,光在介质中传播的方式取决于介质材料的介电常数,即它对光波电场的阻抗。近零材料(ENZ,介电常数接近零的材料)具有独特的性质,光在其中传播时,几乎没有相位超前

美荷科学家合作研发氮化硅纳米超材料

。虽然目前已有微波和远红外波谱的人造材料,但可见光范围的块状三维ENZ材料还很难得到。

为制造这种材料,研究小组用精密排列的堆积银和氮化硅纳米薄层,使通过其中的光能“感觉”到这两种材料的光学性质。他们利用聚焦离子束铣削技术对材料结构实现了纳米尺度的控制。因为银的介电常数可以忽略,而氮化硅的介电常数为正,二者结合介电常数在实际效果上就等于零,对光而言所受阻抗看起来也是零,能以无限的相位速度传播,光的波长也近乎无限。

氮化硅,化学式为Si3N4,是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质,本身具有润滑性,并且耐磨损,为原子晶体;高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击,在空气中加热到1000℃以上,急剧冷却再急剧加热,也不会碎裂。

经专门建造的干涉仪显示,光在这种材料中传播时,相对于几乎无限的波长而言,其相位确实没有明显变化。通过改变材料的几何形状,还可调整适用于整个可见光谱的范围。研究人员指出,这种新材料有望在新型微波/纳米光学元件领域大显身手,如透射增强、波阵面造型、控制自发射和超辐射等方面。

据悉,首块由“超材料”制成的产品有望于明年面市,这也有望引发连锁反应,让普通消费者在使用“超材料”中受益,比如,在飞机上或从那儿获得更快、更便宜的互联连接。德里斯科尔表示,这样的应用也将有助于由“超材料”制成的产品从“人们生活中的新奇之物”变身为“生活中不可或缺之物”。

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