新型超材料：可用於太陽能電池和納米光學器件！
背景
超材料（metamaterial），又稱超穎材料，一般是指通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性的複合材料。舉例來說，超材料可以操控光波、聲波、電磁波等，實現普通材料所無法實現的功能。
典型的超材料包括左手材料、光子晶體、超磁性材料、金屬水等，它們時常呈現出「超常」的物理特性，例如：負磁導率、負介電常數、負折射率等等。
超材料是一項非常熱門且應用範圍極廣的尖端前沿技術，它的應用領域包括：光纖、醫療設備、航空航天、感測器、基礎設施監控、智能太陽能管理、雷達罩、雷達天線、聲學隱身技術、廢熱利用、太赫茲、微電子、吸波材料、全息技術等。筆者曾經介紹過有關超材料的一些研究案例，例如：
1）美國杜克大學科研人員首次設計出由超材料製成的紅外線發射裝置，它不僅能夠顯示出迅速變化的紅外線圖案，還可以利用廢熱。此外，這種可重構的超材料將有望應用於動態的紅外線光學隱身斗篷，或者紅外線範圍內的負折射率介質。
（圖片來源於：參考資料【2】）
2）美國加州大學聖地亞哥分校的工程師們製造出首個無需半導體的微電子設備。他們採用超材料構造出這種微型設備。通過低電壓和低功率激光器激活後，該設備的導電率會增加10倍。
（圖片來源：加州大學聖地亞哥分校應用電磁學小組）
3）美國加州大學洛杉磯分校的研究團隊開發出一種超材料，它可以控制高頻電磁波，例如太赫茲和紅外頻段。這項技術將使得太赫茲和紅外頻率的圖像、感測和通信技術變得更加可信賴、低成本、簡潔、高速。
(圖片來源：加州大學洛杉磯分校 )
創新
今天，我們再來看一項有關超材料的研究成果。近日，俄羅斯國立研究型技術大學莫斯科國立鋼鐵合金學院（NUST MISIS）超導超材料實驗室的研究團隊，在高級講師和技術科學研究候選人 Alexey Basharin 的領導下，開發出一種獨特且易於製造的電介質超材料。研究人員可以方便地利用它製造出最新的光學器件。
（圖片來源：NUST MISIS實驗室）
近期，相關研究成果發表於《 Laser&Photonics Reviews》雜誌。
技術
Anapole 是一種非發射的漫射器，對於電磁輻射來說是透明的。2017年，來自超導超材料實驗室的研究團隊以及他們在希臘克里特大學（Heraklion）的同事們將 anapole 當作一種理想的諧振器。當從外部照射時，anapole 將所有的能量保持在其內部，電磁振蕩消逝得非常慢。
超材料。m磁偶極子矩，J電流迴路，T環形偶極矩。
（圖片來源：NUST MISIS實驗室）
相比於金屬超材料，電介質超材料更具前景，因為它們在電磁輻射照射下不會發熱，從而最大程度減少了能量耗散。每種電介質超材料甚至都可以在光學頻譜中控制它的諧振。
研究團隊的研究工作為超材料的研髮指明了新方向。之前，電介質超材料是通過複雜的電介質（球形或者圓柱形）納米顆粒或者沉積各種納米層製造而成的。
然而，超導超材料實驗室的研究團隊卻展示了一種在硅或者其他電介質薄膜上打孔製造超材料的新方法。最簡單的方法之一就是採用聚焦離子束（ FIB ）技術，這種聚焦的離子束可以打出達5納米大小的孔。
價值
該項目的領頭人 Alexey Basharin 表示：「在實驗的理論部分，我們能夠展示出在光學頻率範圍內，可以激發出一種特殊的 anapole 狀態，這非常有利於電磁場的強定位和感測器的研究。此外，我們發現這些超材料能夠對於電磁波透明，採用硅的真實實驗證實了我們的技術可以極大改善了硅板的透明度，例如，用於太陽能電池。」
科學家們表示，這種新型超材料可用於硅納米光學器件和太陽能電池。這項研究實驗部分的工作目前由RAS和國際合作夥伴繼續開展。
關鍵字
硅、太陽能電池、納米、光學、超材料
參考資料
【1】http://en.misis.ru/university/news/science/2018-07/5488/
【2】X. Liu, W.J. Padilla, 「Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter,」 Optica, Volume 4, Issue 4, 430-433 (2017).
DOI: 10.1364/optica.4.000430
【3】http://dx.doi.org/10.1002/lpor.201800005
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