比翱观察丨超材料将赋能电子产品和电力能源的创新研制

编者注：又是一个阳光灿烂的周末，照例进入专业咖啡习作时间，整理了这篇综述简文，以飨诸位行业友仁。受疫情影响，“第二届全国超材料大会”和“MATI 2021：材料声学技术与产业化发展国际论坛”将延期至2022年4月举办。老祖宗有句古话“好饭不嫌晚”，让我们一起期待“最美人间四月天”，在科技与工程的前沿，继续我们的梦想与使命。

超材料是工程/人造材料，具有自然界中没有的特性。超材料的出现不仅会对国防工业和交通运输领域带来功能材料应用上的革新，预计也将对各种电子和能源应用产生重大影响。这些非天然材料可能会产生类似于“MEMS”（微机电系统）技术的影响，并有可能带来变革。

 

本文将分三个篇章展开。第一章简要介绍近期的可行性应用，包括热管理、传感器、高级光学和声学应用，展望未来和可编程超材料的可能性；第二章解答“超材料、毫米波天线、3D雷达和全息波束成形”等相关问题；第三章深入研究“用于电力和能源的超材料”。相关篇章包括当前的商业案例以及与电子系统中各种应用的超材料相关的研究与开发活动。

第一章：超材料在电子行业的应用与未来展望 

超材料是由多种材质单元组合而成，包括金属、塑料、陶瓷等复合材料。超材料的特性并不是基于基材的特性，它们基于工程材料的物理结构。超材料依靠精确的几何形状/构型、尺寸、方向和排列来获得超出天然材料可能的特性。超材料这个名字来源于希腊语Meta意为“超越”和拉丁语Materia意为“物质”或“材料”。

 

电气工程、半导体、电磁学、微波和天线工程、光电子学、经典光学、固态物理学、材料科学和纳米工程都是促进超材料进步的学科。

热管理与超材料

热超材料有助于以确定性的方式散热，避免先进半导体封装（如2.5 D和3D器件）中的热串扰和局部热点。在热管理中使用超材料的三个例子包括：：

· 隔热罩保护区域免受瞬态扩散热流的影响。

· 热集中器将热通量集中在一个小区域。

· 热逆变器（也称为热旋转器）改变区域内热梯度的方向。

热超材料的例子。a) 由乳胶橡胶和有机硅弹性体的同心层状结构制成的隔热罩。b) 由乳胶和弹性体的方位角交替层制成的热集中器。c) 由铜和聚氨酯螺旋排列制成的热逆变器。（图片来源：圣母大学） 

纳米电子学、3D集成电路(IC)和柔性电子学的出现使热管理变得越来越困难。例如，在2.5 D封装中，逻辑功率和高带宽内存(HBM)层的数量继续增长。2.5 D封装的一个关键挑战是热串扰，因为逻辑芯片和HBM彼此靠近放置，同时需要不同的工作温度。热超材料可用于在需要时增强散热并提供热屏蔽，减少热串扰。

其他超材料薄膜预计可高度扩展到建筑物或工业设施的大小，并能够在日光条件下“自冷”而无需消耗电力或水。这种被动冷却架构旨在反射太阳光，同时通过大气红外透明窗口将热量辐射到寒冷的天空。与传统的基于传导和对流的空气冷却系统相比，基于超材料薄膜的被动冷却模块预计将使冷凝器温度至少降低13 °C，并使净水分散失到大气中，这相应地使效率至少提高3%。

 

声学应用

声学超材料，有时也称为声波晶体或声子晶体，是一种设计用于控制、引导和/或操纵声波或声子的材料。声子负责固体中的热传导。因此，可以设计声子晶体来控制热传递。

 

声学工程的典型应用包括噪声控制、医学超声和声音再现或掩蔽。可以使用声学超材料来控制声音通过给定介质的方向，以操纵声学折射率。此外，可以通过控制特定的材料参数（例如体积模量β、密度ρ和手性）来实现声波控制。声学超材料可以设计成传输或捕获和放大特定频率的声波。当声波被捕获和放大时，它被称为声谐振器。

安装在玻璃纤维电路板互锁板上的铜质开口环声波谐振器和电线。开口谐振环由一个内方形组成，一边嵌入一个外方形，另一边嵌入一个裂缝。分环谐振器位于正方形网格的正面和右面，单根垂直导线位于正方形网格的背面和左面。（图片来源：维基百科） 

第一次成功的声学超材料的工业应用是在飞机隔音测试。超材料的声学研究领域包括地震波反射和与地震有关的振动控制技术、超声波/声学成像和精密传感。

光子超材料、超级透镜和激光雷达

光子超材料(PM)，也称为光学超材料，与光相互作用，涵盖太赫兹(THz)、红外(IR)或可见光波长。与其他超材料一样，PM采用周期性的蜂窝结构，这将其与光子带隙或光子晶体结构区分开来。这些晶胞的尺度比原子大，但比辐射波长小得多，是纳米数量级的。我们可以设想的PM应用包括隐形和光学变换，它们会产生源自坐标变换的空间变化，并且可以引导选定的电磁辐射带宽。近期应用包括开发超级镜头、先进的全息设备和激光雷达。

 

已经开发出一种平面超级透镜（也称为超透镜），它在可见光光谱范围内高效工作，覆盖范围从红色到蓝色，并且超出了衍射极限。该透镜可以分辨由小于光波长的距离分隔的纳米级特征。它使用超薄的微型波导阵列，称为超表面，可以在光线通过时弯曲。它是用二氧化钛制造的，二氧化钛是油漆和防晒霜中的一种常见材料，以创建光滑和高纵横比（平面）纳米结构的纳米级阵列。与需要精确抛光的传统镜片不同，这种超级镜片是在一个光刻步骤中生产的。超透镜目前正在先进的全息系统中得到应用。

由玻璃基板上的二氧化钛纳米鳍组成的超透镜的扫描电子显微镜显微照片。（图片来源：哈佛大学） 

波束控制是从5G通信到激光雷达系统等新兴应用的重要组成部分。目前，大多数光束控制系统都基于机械扫描，从而导致可靠性、成本和外形因素问题，并且还会限制系统性能能力。使用液晶超表面开发了一种用于激光雷达系统的新光束控制技术，与机械扫描对应物相比，该技术可实现具有更高分辨率、范围和帧速率的全固态系统。内部激光被引导到反射半导体芯片上。来自芯片的反射方向是可编程的。根据芯片表面超材料的配置（受软件控制），反射光束方向是可编程的。它可以指向任何方向和任何顺序。

光学超材料表面加上液晶，用于汽车激光雷达的光束控制。(图片来源: 激光雷达LiDAR创业公司Lumotive) 

可编程超材料

超材料及其二维对应物超表面可以提供对从微波到可见光的电磁(EM)波的强大控制。通过开发引入对其亚波长单位单元的显式控制的能力，超材料可以变得可编程。通过软件控制，可以在单个超材料或超表面中操纵多个EM功能。目前正在开展研究，为各种超材料提供一种自主适应环境和/或与其他超材料单元通信的手段，从而使新型设备能够用于传感、成像和通信。一种方法是开发一种与当今现场可编程门阵列(FPGA)等效的超材料，用于驱动可重构超材料的数字化版本。

 

目标是开发智能和自适应超材料。开发可编程超材料面临的更困难的挑战之一是实现足够高的刷新率，以便在处理包括毫米波和太赫兹波在内的高频环境时实时改变材料特性。根据应用，将需要kHz甚至MHz范围内的刷新率。可编程超材料的初始应用预计将包括无线通信、医学成像和全息术。

 

如图所示，超材料有可能为各种电子系统和应用带来变革性影响。第二个常见问题解答将考虑“超材料、毫米波天线、3D雷达和全息波束成形”，第三部分将深入研究“用于功率和能源的超材料”。

第二章：超材料、毫米波天线、3D雷达和全息波束成形

无线通信、5G毫米波设备、空间通信、GPS、卫星、航天器导航、汽车和飞机只是超材料天线的一些应用。基于超材料的天线设计可以显著增加辐射功率。最新的超材料天线设计可以辐射高达95%的输入无线电信号。

 

传统天线需要至少是信号波长的一半才能有效运行。例如，在300 MHz时，天线需要半米长。相比之下，实验性超材料天线小至波长的五分之一，并且尺寸还可以进一步减小。一些超材料天线已经商用。本章将简要回顾一些当前可用的超材料天线设计，包括分形天线、电子扫描超材料天线和全息波束成形，首先是用于汽车和国防系统的高分辨率雷达。

这种在美国国家标准与技术研究所测试的Z天线比具有可比属性的标准天线小。它的高效率源自正方形中心的微小“Z单元”，它充当超材料，极大地增强了辐射信号。正方形的边长为30毫米。（图片来源：维基百科） 

基于超材料的天线将提供更高的性能水平，超出常规构造天线的效率-带宽限制。超材料使微型天线具有高增益，因为辐射元件可以组合成更大的阵列。此外，超材料的负折射率会带来集中的电磁辐射而不是分散的辐射。

 

3D雷达和扫描阵列

超材料电子扫描阵列(MESA)雷达可以从车载系统减少到书本的大小，同时降低了成本。其中一些雷达可以使用标准印制电路板（PCB）制造技术制造，并用于各种新应用，在这些应用中，当今传统的电子扫描阵列(ESA)雷达太大且太昂贵。这些成本/性能属性为MESA在无人机和其他无人驾驶飞行器、自动地面车辆(包括汽车)、便携式安全系统以及对抗来自无人机系统(UAS)的威胁(包括有无人机、巡航导弹、飞机和弹道导弹的复杂环境)开辟了应用领域。

 

一些MESA雷达包括软件定义的雷达技术和3D电子波束控制。例如，一台带波束控制的77GHz MESA雷达可以准确判断物体的距离和速度；它还具有足够的分辨率，使人工智能能够高精度地对周围环境进行分类和解释。

超材料电子扫描阵列(MESA)雷达与传统ESA雷达相比具有显着的尺寸、重量、功率和成本优势，并且可以使用标准PCB制造和组装技术进行制造。（图片来源：自动驾驶高性能雷达平台研制公司Echodyne）
 

毫米波天线的超材料

在天然材料中，磁导率和介电常数等特性取决于原子和分子对通过它们的电磁波的响应。但在超材料中，这些特性是由小于与之相互作用的电磁波波长的散射结构的周期性排列决定的。

 

这些小型结构由金属和塑料等传统材料制成。尽管如此，它们的大小、形状、方向和配置可以设计为与电磁波相互作用，以在某些频段产生微调的共振和其他非常规特性。这些特殊特性可用于多种应用，例如，提高微波天线的效率和方向性。

 

最近开发的一种电子扫描天线技术，称为超材料表面天线技术（MSAT），它基于衍射超材料概念，使用高双折射液晶（LC）实现电子扫描。这些天线为移动车辆或固定装置上的宽带互联网连接提供高可靠性、低功耗和高数据吞吐量。MSAT的低功耗使其能够利用移动平台上的现有电源，从而降低集成复杂性。

 

使用LC材料作为毫米波频率的可调谐电介质，允许以低于10W的功耗和约5 cm的天线厚度进行超过60°的波束扫描，并且没有移动部件。如前所述，MSAT使用衍射超表面而不是折射超表面来全息定义天线波束。能够单独调整每个天线元件的谐振频率以创建动态可重构衍射光栅，从而实现全息设计。

超材料表面天线技术的5G应用是基于使用高双折射液晶。（图片来源: 卫星通信创业公司Kymeta）

超表面天线是通过将数百或数千个元件打印到阵列中来制造的。该阵列放置在矩形波导馈源旁边，该馈源将阵列耦合到单个发射器。计算机控制用于调整元件以在特定频率共振并辐射导波。阵列的物理结构经过设计，因此辐射波在天线波束的编程扫描角度上是相干的（同相）。能量是单个单元辐射的波的总和。异相单元对信号没有贡献。扫描角是波束与垂直于超表面天线顶部的轴之间的角度。

 

全息波束成形

全息波束成形还可以在软件控制下塑造天线的无线电方向图，而无需对天线进行物理更改或重新配置。它可以被认为是一个软件定义的天线。

 

传统的相控阵需要庞大且昂贵的移相器来动态控制天线波束。MIMO系统中，两个或多个发射器和接收器协调将信号射入多个设备，需要耗电的数字信号处理器。新型基于超材料的全息波束成形天线使用由FET控制的简单开关控制天线元件，从而使天线更薄、成本更低、重量更轻、功耗更低。

使用超材料制成的14 GHz全息波束成形天线。这些超材料天线可以在1到70 GHz之间运行并产生高度聚焦的波束。（图片来源：Pivotal）

预计全息天线的工作频率约为500 MHz至60 GHz。使用全息波束成形，信号可以以更高的增益传播得更远。就5G网络而言，这意味着更高频段的毫米波不会轻易被建筑物阻挡，并且可以传播到几公里之外。因此，全息波束成形天线提高了蜂窝网络的吞吐量，并可能取代光纤电缆作为基站之间的回程链路。

 

一种形式的超材料全息天线由一个柔性PCB组成，该PCB覆盖在金属单元中，该单元小于被控制的无线电波的波长。控制软件激活各种天线元件以产生无线电波束。不断变化的直流偏置用于改变天线的特性，这可以在微秒内切换受控元件。这种控制方法使相同的谱带能够依次指向多个方向，从而允许多个波束同时使用相同的谱带。此外，天线抑制了可能导致干扰的旁瓣，提高了频谱效率（可以同时发送到给定数量设备的数据量）。

 

第三章：用于电力和能源的超材料

前两章了超材料对先进光学、音频系统、热管理以及毫米波通信和雷达的各个方面产生重大影响的潜力。此章将考虑超材料对能量收集（太阳能电力和太阳能热能）高功率远距离电力传输和无线充电的影响。其中一些是正在进行现场试验的早期商业阶段技术。

 

能量收集

一种获得专利的超材料基涂层已经开发出来，它看起来不透明，但实质上是透光的。它可以覆盖在太阳能电池上来隐藏它们，而内部的电池则继续发电。该涂层是由直径小于5微米的微球组成，微球具有30层或更多层材料，具有不同的介电性能。为不同的层次设计正确的材料，结果是选择性地散射特定波长的光，在表面上产生一个可控的颜色外观，同时对于大多数冲击光波长仍然是透明的。

这种光学超材料涂层基本上是透光的，可用于伪装太阳能电池板，而内部的太阳能电池则继续发电。（图片来源：Face Companies）

用于施加微球的粘合剂可以是溶剂基或水基的。涂层的颜色完全取决于微球的结构，因此不会随着时间的推移而褪色。在传统涂料中，化学颜料会随着时间的推移而降解和颜色褪色。超材料涂层的耐久性与汽车饰面等高性能涂料的耐久性相似。并且它可以使用与应用传统油漆相同的过程进行应用。这种新型超材料涂层的预期应用包括：

 

· 太阳能屋顶和建筑组件收集太阳能，但看起来就像他们传统的非能源收集对应物

· 太阳能收集系统无缝融入自然环境、偏远地区、荒野等，没有丑陋的太阳能电池阵列可见

· 看起来几乎可以像任何物体的隐蔽监视设备

· 用于电动汽车的太阳能和光收集车身面板，同时又不牺牲美感

除了正在开发用于热管理的超材料，还在开发超材料以实现热能收集。例如，太阳能热吸收器应该具有选择性吸收、高导热性、随时间推移的稳定性和简单的结构。一组澳大利亚研究人员正在探索一种三维结构的石墨烯超材料（SGM）。由于具有沟槽链金属结构、宽带能力和优异的热导率，超导材料具有波长选择性。

 

作为一种超薄石墨烯超材料，SGM吸收剂已被证明具有选择性和全向太阳能吸收以及出色的光热能力。它们非常稳定，太阳能热转换效率为90.1%，太阳能蒸汽效率为96.2%，目前正在努力开发基于SGM吸收器的商业设备，用于太阳能热能收集和处理。

 

另一组电气工程师利用机器学习的力量设计了能够吸收和发射特定频率太赫兹辐射的介电（非金属）超材料。在这种情况下，太赫兹超材料是由一个2×2的硅圆柱体网格构成的。调整四个圆柱体中每个圆柱体的高度、半径和间距会改变超材料与之相互作用的光的频率。这些热光伏设备从热源发电。它们的工作原理很像太阳能电池板，不同之处在于它们吸收特定频率的红外光而不是可见光。

拟议的热光伏能量收集器的图示。（图片来源：杜克大学） 

电力传输

新西兰初创公司Emrod开发了被认为是世界上第一个远程、高功率、无线电力传输系统，作为现有有线技术的替代方案。Emrod技术的工作原理是利用电磁波安全有效地长距离无线传输能量。概念验证原型已经建成，该公司现在正与新西兰第二大电力分销商Powerco合作，对该技术进行商业规模的试验。

 

波束成形、超材料和整流天线技术的组合被用来创建柱状能量束，可以在数公里内传输大量能量。该系统不受天气或雨、雾或灰尘等大气条件的影响。功率光束周围的低功率激光安全幕会在任何物体（从鸟类到直升机）撞击光束之前关闭系统，一旦干扰物体离开光束区域，系统就会重新启动。这种基于超材料的无线电能传输技术的优势包括：

 

· 电力基础设施成本降低高达65%

· 中断次数减少高达85%

· 通过降低基础设施成本增加可持续能源利用的潜力

· 与传统的铜基电力传输相比，故障点更少，提高了系统可靠性

· 使用ISM（工业、科学、医疗）频段中的波束，其频率通常用于WiFi、蓝牙和RFID

· 比传统电力传输更安全，降低触电风险

超材料、雷达技术和波束成形的进步正在实现高功率电力的多公里无线传输。（图片来源：Emrod） 

无线充电

除了长距离传输高功率外，超材料还有望大幅提高低功率无线充电系统的效率。使用负折射率超材料(NIM)可以显著提高功率传输效率。NIM的特点是折射率为负。没有发现任何天然存在的材料表现出负折射率。

 

对于NIM的平板，负折射可能发生在两个界面上。当物体在这样的平板前面时，物体的传播波分量可以在NIM平板内部聚焦，并重新聚焦在平板的另一侧。此外，消逝波分量可以在NIM板内增强到与原始电导体相邻的水平相似的水平。类似地，使用NIM板，可以在远大于λ/3的经典距离的距离处恢复物体的倏逝波。这意味着，NIM板可以恢复物体的传播波和渐逝波，并制成“完美的透镜”。

在发射器和接收器线圈之间使用基于NIM的聚焦透镜提高无线充电效率。（图片来源：Researchgate） 

三菱电机研究实验室的研究人员已经构建了一个包含NIM透镜的原型无线电力传输系统。实验结果（见上图）证明了使用制造的超材料提高了效率。具有超材料的系统能够无线传输电力，其效率大约是没有超材料的相同系统的两倍。NIM透镜是车辆电源接收器子系统的一部分，从车辆底部掉落，位于接收器和发送器线圈之间，以提高充电效率。

参考文献

· Metamaterial antenna, Wikipedia· Metalens works in the visible spectrum,sees smaller than a wave length of light, HarvardMetamaterial, Wikipedia· Metamaterials-Enabled Passive Radiative Cooling Films, PARC· Programmable Metamaterials for Software-Defined Electro magnetic Control: Circuits, Systems, and Architectures,IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems · Recent Advances in Thermal Metamaterials and Their Future Applications for Electronics Packaging, Journal of Electronic Packaging· Metamaterial-surface flat-panel antenna technology, Kymeta · Reducing 5G Deployment Costs Using Holographic Beam Forming Repeaters, Pivotal Commware· Machine Learning Finds New Metamaterial Designs for Energy Harvesting, Duke UniversityMetamaterial, Wikipedia · Structured graphene metamaterial selective absorbers for high efficiency and omni directional solar thermal energyconversion, Nature Communications · Wireless power transfer with metamaterials,Researchgate

多孔材料与人工结构物理特性表征与验证技术领先者

免责声明：部分资料来源网络，转载目的在于传递信息及分享，并不意味赞同其观点或其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时删除。