范润华教授：负介材料

材料是否可以呈现负介电？随着超材料的发展，人们提出了各种构型化材料以获得负介电，一个崭新的领域——负介电子学正在形成。负介材料为电子元器件提供了全新的选材用材方案。比如电感，虽然薄膜印刷和流延技术极大地推动了片式电感的小型化，但仍没改变原有的绕线工艺，基于负介材料设计的非绕线电感，其性能直接取决于材料属性，与平行板电容器类似也可以有平行板电感，非常契合电路的平面化发展要求。比如电容，目前常用的片式多层陶瓷电容(MLCC)多年没有重大变化，基于负介材料设计的超构电容器使用了完全不同的材质，适合高温等特殊环境要求。比如场效应晶体管，负介材料作为栅极有望突破玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅，降低电子器件功耗，克服芯片小型化的原理限制。对于超构电路，摒弃了传导电流直接使用位移电流进行逻辑运算和信息传递，其信号载体是位移电流，不再是具有质量的电子，具有低能耗、信号无延迟、抗干扰能力强的优势，有望突破集成电路小型化的量子效应限制。

▲ 利用负介材料实现介电近零性质

(a) ITO；(b) 石墨烯/POE 复合材料

负介电与等离态材料密切相关。以金属为例，从直流到光频的不同频段，金属分别呈现导电态、等离态和绝缘态，其中等离态是在电场作用下自由电子的集体激发。金属等离振荡频率取决于电子的浓度和有效质量。由于自由电子浓度高达1028 ∼ 1029m−3，其具有极高的电导率和热导率，并且其等离振荡发生在光频段，因而金属的光频介电常数实部为负，因此研究者利用负介电特性开发了非线性光学器件。除了使用膜材，金属纳米颗粒以其表面等离激元增强等优异的特性，广泛应用于光电子、光催化和传感器等领域。然而，与光频相比，电子学频段相对极低，金属呈现导电态，其电学特性符合经典的Hagen-Rubens 关系，介电函数的实部消失，变为纯虚数。由此可见，体金属的负介电存在固有的低频难题。由于降低电子浓度和有效质量可以使等离振荡频率降低，研究者在氧化铟锡（ ITO）等掺杂半导体材料中调控载流子浓度实现负介特性，但是也只能降低到红外频段。有必要指出的是，考虑到电子输运特性，金属仍然是等离态材料的选择。研究者提出金属线人工结构和等效电磁参数的概念，并以铜、铝等金属线进行实验验证，把等离振荡频率由光频降低至微波频段。金属低维化、构型化及其等离现象的研究是超材料发展史上奠基性工作之一。

▲ 金属/陶瓷复合材料的液相制备工艺示意图

物性参数是选材用材的依据，包括负介材料在内的负参数材料打开了性能空间。既然物性参数可以为负，对近零参数就不难理解了。负(零) 参数材料已成为超材料家族的重要成员。“超材料” 中文术语和相对应的英文术语“metamaterials”在21世纪之初几乎同时出现，目前已发展为以人工结构或负物性参数为主要特点的新兴交叉科技领域。超材料的学术源流可追溯到中国科学家早期的研究。

20世纪50 年代，黄昆先生提出了电磁波与晶格振动耦合形成极化激元，推动了固体光学和电磁性质各种元激发的研究，这其中包括等离激元。

60 年代后期，苏联学者V.G.Veselago 提出了介电常数和磁导率同时为负的电磁介质科学猜想，并衍生出负折射等一系列新特性。

80 年代开始，在天然周期结构的晶体启发下，国际国内利用有序微结构构筑人工介质，陆续提出了介电超晶格、光子晶体、声子晶体等。

随着相关领域的发展，90 年代后期英国帝国理工学院J. B. Pendry 等利用金属人工结构在一定程度上解决了“Veselago 猜想”。不同学术源流在新世纪汇成滚滚洪流。“超材料” 名称目前已被广泛接受，既涵盖“超构材料” 这一专业名称，也涉及人工结构、微结构材料、等离激元、超表面、超晶格、左手材料、负(零)物性参数材料、序构材料、光子晶体、频率选择表面等。

2018 年5 月，中国材料研究学会超材料分会在上海成立，这是中国超材料发展史上里程碑式的事件，标志着该领域已经达到了相当的研究规模。

▲ 中国材料研究学会超材料分会2018年5月在上海成立

作者二十年前开始相关研究时，很幸运地遇到了超材料。周济教授当时首先使用了“超材料” 这个中文名称，这一名词广为人知大约在2010年之后。2003年，作者在研究导体/绝缘体复合材料的介电性质时偶然观察到，材料在射频和交流频段竟然可以呈现负的介电常数；随后，在开展隐身、电子元件等相关应用研究的同时，对负介材料开展了一系列研究。

范润华，1970年生，二级教授。1987年起本硕博就读于山东大学材料学院，1998年获工学博士学位。主要从事超材料及其在装备隐身、电子元件、减振降噪、疏水防覆冰等领域应用研究，负介电超材料研究形成鲜明特色。目前担任上海海事大学海洋科学与工程学院学术委员会主任、山东大学超材料研究中心学术委员会主任，曾任山东大学材料加工教育部重点实验室常务副主任。兼任中国材料研究学会理事、中国复合材料学会理事、中国海洋工程咨询协会理事、国际先进材料与制造学会(SAMPE)船用复合材料专委会委员、国际期刊EPJ Applied Metamaterials副主编。作为主要参与者，组织了系列全国超材料大会，组织出版“超材料前沿交叉科学丛书”。培养了一批人才，2014和2019两次被评为山东大学优秀博士学位论文指导教师。

《负介材料》（范润华著. 北京 : 龙门书局, 2024. 11）在介绍负介材料基本概念基础上，从逾渗构型超材料的角度阐述了基于逾渗理论的负介材料构型设计和制备策略。关于负介材料蕴含的丰富物理现象，阐述了等效介质近似等宏观现象和载流子输运等微观机制。针对负介材料催生的新原理电子元器件，介绍了超构电容器、非绕线电感、场效应晶体管等研究的进展。本书对各类介质的其他负物性参数，如负折射率、负泊松比、负热膨胀系数等，也进行了介绍。

感谢“超材料前沿交叉科学丛书”的两位主编周济院士和崔铁军院士，作者的研究工作得益于他们的学术思想。感谢国家自然科学基金项目(No.50772061，No.51172131，No.51871146，No.52271182)、上海市教育委员会科研创新自然科学重大项目(No. 2019-01-07-00-10-E00053)、东方英才计划领军项目的资助和支持。

本文摘编自《负介材料》（范润华著. 北京 : 龙门书局, 2024. 11）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(超材料前沿交叉科学丛书)

ISBN 978-7-5088-6488-4

责任编辑: 陈艳峰 崔慧娴

本书适用于高等学校材料科学与工程专业教师、研究生和高年级本科生，也可供相关专业科技人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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