第一篇：論文翻譯——柔性超表面、超材料

柔性超表面和超材料：微、納材料及其制備工藝

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

譯

摘要：使用柔性基板的超材料具備可彎曲、拉伸、旋轉(zhuǎn)的特性，這為電磁波的控制提供了新的方向，并且為新功能和設(shè)計(jì)的研發(fā)提供了依據(jù)。本文綜述了基于柔性可塑基板的THz、可見(jiàn)光頻段的超材料及其加工技術(shù)，并且提及了設(shè)備的調(diào)諧方法。在論述加工工藝及處理技術(shù)之后，文章中給讀者總結(jié)出了適合柔性超材料基板的電磁和機(jī)械特性，并提到了用于實(shí)現(xiàn)超材料可調(diào)諧性的新方法。把超材料變成可實(shí)際應(yīng)用的設(shè)備已是大勢(shì)所趨。

引言：超材料是一種亞波長(zhǎng)工程結(jié)構(gòu)的電磁材料，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)，它可以展示出入射電磁波電磁的耦合。這讓超材料具備了一些特性，比如異常反射及折射、完美吸波和亞波長(zhǎng)聚焦等。但是，由于缺少穩(wěn)定可靠的調(diào)諧技術(shù)，超材料廣泛應(yīng)用的腳步被長(zhǎng)期的制約著。可協(xié)調(diào)性可以通過(guò)操作控制材料和入射波的交互作用來(lái)得到，以此來(lái)達(dá)到所需的波的傳播、反射及吸收。盡管超材料設(shè)計(jì)的幾何可測(cè)性給了超材料過(guò)去幾十年的輝煌，如果所使用的材料是柔性的，對(duì)于t Hz方面的應(yīng)用，如隱身、傳感、超透鏡（一種擁有在衍射極限下分辨率的透鏡）、芯片上光子及光電子器件、完美吸波器和能量收集可以得到很好的改善。柔性器件依賴于較低的表面能量復(fù)合材料而實(shí)現(xiàn)，如聚二甲基硅氧烷橡膠，它可以粘附在一些等角的表面以便組合到彎曲的表面、表皮或者包裝材料上面，而不僅僅是用在堅(jiān)硬平整的面上。超材料的柔性表現(xiàn)可以使它來(lái)做有輕量透明要求的物體的包裝。同樣的，超材料的應(yīng)用打開(kāi)了一個(gè)新的篇章，如遙感技術(shù)、可調(diào)光學(xué)頻率諧振器等。柔性也可以用來(lái)獲得可調(diào)的超材料，這與材料基片特性緊密相關(guān)。另外，功能超材料與合適基片的結(jié)合，有望把t Hz階超材料從二維設(shè)計(jì)帶到三維結(jié)構(gòu)上去。擁有柔性、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這一優(yōu)勢(shì)，基片介電常數(shù)是關(guān)鍵。同時(shí)，超材料的這種結(jié)構(gòu)可以調(diào)諧及加強(qiáng)波的傳輸或反射響應(yīng)。同樣地，將傳統(tǒng)的微納技術(shù)應(yīng)用在這種柔性可塑形基片上也展現(xiàn)出很大的突破：造出了可以輕松放進(jìn)人體的傳感器、覆蓋不平整表面的隱身層、負(fù)指數(shù)材料、生物分子傳感器、等離子設(shè)備和吸波器。

關(guān)于這個(gè)主題的近期綜述突出了超材料重要意義的發(fā)展?jié)摿秃铣杉夹g(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。劉等研究人員所發(fā)表的一篇關(guān)于亞波長(zhǎng)超材料綜述了亞波長(zhǎng)可調(diào)諧超材料，它的可調(diào)諧性由機(jī)械形變和晶格位移而產(chǎn)生。同時(shí)，另外的文章也綜述了基于近場(chǎng)耦合和非線性原理的應(yīng)用的可調(diào)諧性。另外還有很好的文章包含了別的方面，如：設(shè)計(jì)、激勵(lì)、超材料的機(jī)械形變以及可調(diào)諧能力的存在。然而，據(jù)我們所知，并沒(méi)有一篇全面綜述了柔性超材料基片特性、加工及調(diào)諧科技的文章。

本文論述了使用柔性可塑形基片來(lái)調(diào)諧超材料的諧振頻率，批判地比較了各種應(yīng)用了柔性基片和復(fù)合材料材料的電磁及機(jī)械特性，評(píng)估了包含近期3D方法在內(nèi)的柔性超材料的精確制造技術(shù)。最后，展望未來(lái)，引出基于彈性材料的應(yīng)用：調(diào)諧的可逆性。

超材料中的柔性基片

柔性基片給探索由機(jī)械形變引起的超材料特性提供了理想的平臺(tái)。柔性材料在超材料中的應(yīng)用所展示出的新功能引起了世界范圍的關(guān)注。這種彈性基片之所以引起人們特別的興趣在于它的可以通過(guò)機(jī)械形變而得到很大范圍的頻率調(diào)諧的特性，因此可以摒棄傳統(tǒng)上為達(dá)到同樣目的所需的外部激勵(lì)和偏壓。用在彈性基片上的共鳴器結(jié)構(gòu)展示出對(duì)結(jié)構(gòu)因子很高的敏感度，它可以對(duì)很小的尺寸改變而很容易做出響應(yīng)。這種機(jī)械調(diào)諧超材料已被證實(shí)應(yīng)用在了無(wú)線傳感裝置、生物分子傳感裝置及吸波器上。

在超材料中普遍應(yīng)用的彈性基片是聚二甲基硅氧烷橡膠和聚酰亞胺，主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)谌嵝噪娮臃矫娴膹V泛應(yīng)用。還有一些其他的柔性基片如Metaflex（使物體在較長(zhǎng)波長(zhǎng)中隱身）、聚乙烯萘、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇脂、聚甲基丙烯酸甲脂和聚苯乙烯。

電磁特性

盡管超材料的電磁特性繼承于亞波長(zhǎng)諧振器的設(shè)計(jì)，但這也不排除超材料的成分對(duì)其的影響。為了優(yōu)化超材料的電磁特性，基片的選取以以下要素為基準(zhǔn)：1，低介電常數(shù)，用來(lái)維持諧振強(qiáng)度，形成寬帶超材料；2，低吸收（吸收系數(shù)），使透過(guò)或沿著基片傳播的波強(qiáng)度最大化。選用低的折射率可以減小基片上的反射損失。折射率n和介電常數(shù)ε有著密切的聯(lián)系：n??。一些常用復(fù)合材料基片的重要電磁特性展示在表1里面。

工藝和機(jī)械特性

復(fù)合材料可以提供廣泛的可選特性來(lái)制備合適的、大面積的、低價(jià)的柔性超材料。各種各樣的復(fù)合物基片被研究用來(lái)滿足各種微波頻率的彈性超材料的設(shè)計(jì)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂層、熱處理、微加工技術(shù)等方法，這些彈性復(fù)合材料可以很輕易的加工出來(lái)，從而用于超材料基片的選擇。微納加工技術(shù)如光刻（接觸式、可見(jiàn)光、軟光刻和掩模光刻）、激光刻印、制模、鑄造和轉(zhuǎn)印都被證實(shí)已經(jīng)用在基于復(fù)合材料的超材料中了，關(guān)于這一方面我們將在后面做更詳細(xì)的討論。

基片的機(jī)械特性（其楊氏模量為基準(zhǔn)）對(duì)于確定它們?cè)诳蓹C(jī)械調(diào)諧超材料的發(fā)展中的活性十分的關(guān)鍵。具有較低楊氏模量的基片可以承受更大的機(jī)械形變，具有很好的可逆性及可重復(fù)性，因此可以承擔(dān)更基礎(chǔ)的調(diào)制及更高要求的諧振模式。然而，制造工藝對(duì)于柔性基板的選擇有著特殊的要求。這些要求中包含了高溫沉積和退火的需求以及需要滿足在高度平坦表面來(lái)進(jìn)行光刻或者類似的刻圖技術(shù)。表1中列出了一些對(duì)于超材料常用的復(fù)合材料基板的機(jī)械特性。基于實(shí)踐應(yīng)用和工作頻率的機(jī)制，具有低吸收系數(shù)和期望的機(jī)械特性的柔性基板將會(huì)擔(dān)當(dāng)重任。

超材料制造工藝中的復(fù)合材料

在多種復(fù)合材料被利用的同時(shí)，有三種復(fù)合材料由于它們本身的特性而特別的受研究者的歡迎。這一部分我們將討論這幾種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種彈性聚合物，有其獨(dú)特的屬性如低能表面、生物相容性以及良好的韌性和彈性。通常它的工作溫度在-50到200攝氏度。作為一種柔軟的柔性復(fù)合材料，聚二甲基硅氧烷可以很容易的與非平整表面結(jié)合，并且具有很高的一致性。它對(duì)傳統(tǒng)的和像軟光刻和壓印這樣的先進(jìn)的微納加工技術(shù)的兼容性更加的突出了它的優(yōu)勢(shì)。聚二甲基硅氧烷的-4-1比較低的楊氏模量（7.5*10GPa）和低的吸收率（13cm//1 THz）的特性讓它成為了一種很適合柔性、可調(diào)諧超材料的基片。

它的高彈性的特性（最多達(dá)120%可逆的拉伸）使其成為實(shí)現(xiàn)超材料機(jī)械調(diào)諧的可行的一種基片。它獨(dú)有的特性和比較寬波段的透明性讓它可以滿足超材料對(duì)寬帶寬的應(yīng)用。它的低能表面這一特性已經(jīng)被用在有效的傳輸透明氧化物如氧化銦錫和氧化鋅，它們展現(xiàn)出在很好的穩(wěn)定性并且在氧化型可調(diào)諧超材料器件方面具有很好的潛質(zhì)。在聚二甲基硅氧烷上壓印結(jié)構(gòu)材料的可能性為多層、3D超材料設(shè)計(jì)開(kāi)辟了巨大機(jī)會(huì)，這一應(yīng)用可以用來(lái)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的諧振裝置。

-4o聚二甲基硅氧烷具有很高的熱膨脹系數(shù)（TEC）3.1*10/C，這可以通過(guò)沉積金屬薄膜 而確定諧振器或者波導(dǎo)是彎曲還是表面微皺。這種問(wèn)題可以通過(guò)在沉積過(guò)程中精確控制樣品溫度或者對(duì)封裝加同等的壓力來(lái)改善。最近的一篇文章預(yù)測(cè)，這種自有序模式而在聚二甲基硅氧烷上形成的曲面金屬膜將會(huì)在光學(xué)和應(yīng)變分析設(shè)備中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

除去聚二甲基硅氧烷的一些可取的特性，它同樣也遭受著對(duì)溫度高靈敏特性（由于太大的TCE）的侵害，或許微小的溫度變化就會(huì)引起超材料幾何形狀的改變。另外，當(dāng)鋪光刻膠時(shí)，聚二甲基硅氧烷的疏水特性會(huì)導(dǎo)致光條紋的出現(xiàn)，這就需要額外的處理（如等離子表面激活）來(lái)完成微工藝制備，特別是對(duì)于多層結(jié)構(gòu)。

聚酰亞胺聚酰亞胺（得名于其商業(yè)特性聚酰亞胺薄膜）是一種在電子設(shè)備方面應(yīng)用很普遍的柔性基板，比如柔性太陽(yáng)能電池、內(nèi)部連線和超材料。它們可以使超材料具備柔性、獨(dú)立性的特點(diǎn)，工作在THz頻率區(qū)間，具有很高的負(fù)折射率，且在雙波段處實(shí)現(xiàn)近完美吸收。

聚酰亞胺的楊氏模量為2.5GPa（見(jiàn)表1），符合微加工技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，它在制作柔性超材料方面的潛質(zhì)源于其對(duì)金屬表面很強(qiáng)的附著性，這種附著性也為其提供了很高的應(yīng)變位移

oo度。通常聚酰亞胺的使用溫度在-269C到400C，有很高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度（見(jiàn)表1），這也讓它可以接受金屬在高溫下的物理沉積技術(shù)，包括濺射技術(shù)、電子束蒸發(fā)沉積和脈沖沉積技術(shù)。另外，它本身具有較低的導(dǎo)熱率，由此，即使是在很高的溫度下，它也能和金屬或氧化物具有很高的一致性。它對(duì)光刻膠有著強(qiáng)的粘附性，且在刻蝕金屬薄膜時(shí)候可以抗酸的腐蝕，這種特性讓它可以用于傳統(tǒng)微加工技術(shù)制造THz超材料來(lái)提高圖案刻印分辨率。然而，基于楊氏模量，它的彈性系數(shù)比較低（小于4%），這也限制了THz超材料的可調(diào)諧性，通過(guò)機(jī)

o械變形也可以略作改善。只有在高溫（~400C）下聚酰亞胺才能與聚合物基體交聯(lián)，這就給某些材料帶來(lái)了復(fù)雜的因素。

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇脂（PET）聚對(duì)苯二甲酸乙二醇脂是另一種已經(jīng)被開(kāi)發(fā)的柔性基板，它被用來(lái)做RFID的膜、LCD的顯示器表層和電容式觸摸傳感器陣列。

o聚對(duì)苯二甲酸乙二醇脂具有較高的介電常數(shù)（2.86）、較寬的使用溫度范圍（-80C到o o180C）、較高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度（78C）低的熱膨脹系數(shù)、對(duì)光刻膠和金屬有強(qiáng)的附著力，這些特性讓它成為了制造柔性超材料的很好的選擇（見(jiàn)表1）。PET薄膜在可見(jiàn)光范圍是平面透明的，在THz范圍它的電磁特性和PDMS及聚酰亞胺很相似。上述特性可見(jiàn)PET具有PDMS和聚酰亞胺的共同屬性，但是并沒(méi)有它們所具有的局限性。然而，PET的成本很高且易受到剪切熱的影響。

總的來(lái)說(shuō)，PET已經(jīng)研究用來(lái)制造可以在近紅外頻譜使用的柔性結(jié)構(gòu)，并且它是通過(guò)機(jī)械形變來(lái)調(diào)節(jié)的。

制造工藝

超材料的加工技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的水準(zhǔn)，可以在非常規(guī)基板上做微納尺度的加工。高分辨率納米加工方法的出現(xiàn)比如納米光刻技術(shù)已經(jīng)可以一次性使納米圖案刻在一個(gè)大范圍的柔性基板上面，并且這促成了非常規(guī)超材料及光子系統(tǒng)的出現(xiàn)。隨著對(duì)柔性材料上金屬、電解質(zhì)等硬質(zhì)材料的深入理解，以及科技的進(jìn)步，在多科學(xué)領(lǐng)域的交叉中實(shí)現(xiàn)了納米尺寸在柔性延展設(shè)備上的使用。這種多學(xué)科技術(shù)在快速的綜合發(fā)展，使那種可以實(shí)現(xiàn)寬的頻譜可調(diào)諧的柔性超材料得以制造出來(lái)。這些技術(shù)使得電磁設(shè)備得到新的發(fā)展，也引發(fā)了感測(cè)領(lǐng)域中科學(xué)技術(shù)的更新。在圖1中展示的就是一個(gè)典型的例子，它就是使用微細(xì)加工原理所制造的在THz頻率工作的超材料。

介電常數(shù) ε(0.2– 2.5)THz 2.35 材料 損耗因子tanɑ

吸收 系數(shù) ɑ

電阻 歐姆（Ω）

楊氏模量E（Gpa）

使用溫度 固化條件

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg

綜合評(píng)價(jià)

參數(shù)

聚二甲基硅氧烷 聚酰亞胺 聚對(duì)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 聚對(duì)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 優(yōu)異 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

優(yōu)異 96

＞350 優(yōu)異 98，99 5.5×10

43.1 105 優(yōu)異 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

優(yōu)異 99-102 優(yōu)異 55-103 0.140 11

3.1

200 65

210 107

優(yōu)異 104-10

差 101，106，107 表1 常用柔性基體聚合物材料的電磁性能、電性能、機(jī)械性能

圖1 圖示為柔性微器件的工藝順序。a 彈性基板（PDMS）被旋涂覆到載體基板上。b 沉積金屬薄膜，例：帶有鉻附著的金層。c-e 利用光刻和刻蝕設(shè)計(jì)金屬層成目標(biāo)結(jié)構(gòu)比如共振器。f 光刻之后，將柔性基板與設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)圖形從載體基片上剝離。

為了加強(qiáng)功能性及更好的制造參數(shù)控制，柔性基板將通過(guò)覆膜、擠壓或刮涂來(lái)與硅載體基板結(jié)合。其中硅僅僅是用來(lái)提供微細(xì)加工過(guò)程中的機(jī)械支撐。

在聚合物與載體硅結(jié)合的過(guò)程中，獲得平滑的膜很重要，不能有捕獲的氧/氣泡、條痕和邊緣珠，這些瑕疵將會(huì)干擾到微細(xì)加工進(jìn)程或者是設(shè)備的性能。

將諧振器圖形轉(zhuǎn)印到柔性基板上以經(jīng)廣泛運(yùn)用，轉(zhuǎn)印技術(shù)包括傳統(tǒng)光刻、掩膜印刷、電子束光刻、激光透鏡陣列光刻、電鍍和直接激光刻印。這部分我們論述盛行的工藝。

光刻工藝

微細(xì)加工技術(shù)是一種傳統(tǒng)的科技，可以用來(lái)制作工作在THz頻率上的超材料。這種技術(shù)可以制造出具有高分辨率的工作在THz頻率的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)并且操作簡(jiǎn)單化，這也讓它很適合應(yīng)用在THz超材料的單層或多層的加工上面。圖2 展示出用微細(xì)加工技術(shù)制作的柔性基板超材料。圖2a和2b展示了用微細(xì)加工技術(shù)以PDMS為基的多層網(wǎng)格超材料。共振器刻印在金屬（有附著層的200nm金薄膜）上，而這整體則沉積在旋涂覆固化的PDMS基板上。通常情況下，通過(guò)這種技術(shù)得到的微分辨的圖形結(jié)構(gòu)會(huì)和單層基板PDMS結(jié)合的更緊湊，從而可以避免金屬的分層。

然而，由于親水性和疏水性的不同而引起的形變或許需要強(qiáng)等離子處理，以此來(lái)使基片在微細(xì)加工時(shí)候更加協(xié)調(diào)，某些柔性基板的疏水性很難滿足微細(xì)加工中的一些步驟比如旋涂光刻膠薄膜。然而，這種表面處理只是在持續(xù)時(shí)間短時(shí)有效并且旋涂光刻膠時(shí)依舊出現(xiàn)條痕。另外，微細(xì)加工技術(shù)只適合那種可以承受有機(jī)溶劑和腐蝕性溶劑的聚合物。

因此，作為備選微細(xì)加工方法，軟光刻、掩膜印刷、圖形轉(zhuǎn)印技術(shù)也引起了人們的興趣，以此來(lái)在柔性基板上制作超材料共振器。

掩膜印刷技術(shù)

掩膜印刷技術(shù)是一種無(wú)酸腐蝕的加工技術(shù)，用來(lái)制作平整多層的微納特性。這種技術(shù)是通過(guò)一個(gè)模板直接沉積金屬薄膜或氧化物，而不需要光刻和刻蝕。這種印刷術(shù)類似于制作襯衫時(shí)用的絲網(wǎng)印刷術(shù)。

下面我們對(duì)掩膜印刷技術(shù)作一個(gè)簡(jiǎn)單的敘述。圖3a是一種掩膜，通常是用整個(gè)硅晶元或者鋁箔刻蝕而成。掩膜放置在接觸或者接近基片的地方如圖3b。隨后，通過(guò)電子束蒸發(fā)沉積金屬或者介質(zhì)層，應(yīng)用掩膜的沉積的特點(diǎn)來(lái)將掩膜復(fù)制到基片上面。利用掩膜印刷技術(shù)，100nm左右線寬圖形可以印刷到任意基片上面，包括易碎的化學(xué)活性強(qiáng)的聚合物和塑膠（圖3c和3d）。這種方法可以大量生產(chǎn)納米線寬的大面積圖形。掩膜可以重復(fù)利用并且得到的圖形高度一致。然而，由于掩膜與基片接觸或接近，在沉積時(shí)候會(huì)有損耗，多次重復(fù)使用之后，其分辨率會(huì)大大的降低。

圖2 利用微細(xì)加工技術(shù)制造的THz柔性基板超材料。a和b：在PDMS上的多層大面積的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。c和d：聚酰亞胺上的共振器結(jié)構(gòu)的加工。

圖3 掩膜印刷術(shù)的加工工序。a 目標(biāo)圖案，在例子中是一種500nm大小的蝴蝶結(jié)形狀。b 通過(guò)掩膜沉積。c 原子顯微鏡下掩膜印刷術(shù)加工的實(shí)物 d 用掩膜印刷術(shù)加工的柔性器件。

軟刻蝕技術(shù)

軟刻蝕技術(shù)是一種備選加工技術(shù)，通過(guò)它可以在聚合物上加工微米或納米規(guī)模的圖形。近年來(lái)，通過(guò)軟刻蝕發(fā)展了很多不同的技術(shù)，這里主要討論關(guān)于超材料加工的比較盛行的技術(shù)。軟刻蝕用起來(lái)比較便宜，并且克服了光刻所遇到的一些問(wèn)題，包括衍射極限下的刻蝕和高強(qiáng)度輻射能量的需求。軟刻蝕工藝需要一種彈性材料的模板，這一材料由帶有載體基片的PDMS構(gòu)成（圖4a、4b）。載體基片由適當(dāng)?shù)挠∷⒓夹g(shù)根據(jù)圖樣尺寸制成。剝離載體基片，模板就形成了，完全具有載體基片的特征（圖4c）。通過(guò)模板可以復(fù)制各種高清晰度的圖形并沒(méi)有對(duì)材料的限制。從載體上復(fù)制圖形后模板通過(guò)強(qiáng)力按壓在目標(biāo)表面印制圖形。經(jīng)過(guò)固化后，移除模板，所要的圖形就形成了，該圖形可以獨(dú)立存在。

另一種很普遍的方法是轉(zhuǎn)印，在這里所期望的所有的材料如半導(dǎo)體、功能氧化物或者金屬全部都可以在硅片基板上面得到。這樣就可以讓那既定圖案轉(zhuǎn)化技術(shù)和高溫工藝得以實(shí)現(xiàn)。隨后，這些圖案可以用柔性模板“拾起”并放置于所選用的基板上面。之后將基板從載體上面剝離。轉(zhuǎn)印技術(shù)有著很好的用處但是需要精確的控制各種靶材之間的粘附尺度：施主基板、柔性模板以及目標(biāo)基板。

通過(guò)使用軟刻蝕技術(shù)，可以克服一些別的所存在的柔性基板的限制：高溫膨脹、附著力差、低加工溫度和化學(xué)不穩(wěn)定性。此外，這些技術(shù)也適用于大面積結(jié)構(gòu)尺寸以及非常規(guī)表面刻印。

圖4 兩種常見(jiàn)的軟刻蝕工藝原理圖

a到c 彈性印模制作

a：將想要圖案印在硅載體基板上

b：PDMS與隨后的固化和鑄造

c：剝離模板

d到f 圖案轉(zhuǎn)印到目標(biāo)基板

d：通過(guò)滴鑄、旋涂或刮涂將目標(biāo)基板材料加在載體基板上

e：目標(biāo)圖形成型

f：將目標(biāo)剝離載體基板

g到i 轉(zhuǎn)印技術(shù)

g：使用PDMS將主基板圖形復(fù)制出來(lái)

h：將PDMS圖形壓印在目標(biāo)基板上

i：從載體基板上剝離

電子束光刻（EBL）

EBL使用經(jīng)過(guò)加速電壓極小波長(zhǎng)的電子束從而來(lái)得到納米級(jí)圖案。與傳統(tǒng)的光刻膠暴露在紫外光下相類似，EBL技術(shù)需要光刻膠、聚甲基丙烯酸甲酯或ZEP暴露在高能電子束下。這將會(huì)導(dǎo)致有機(jī)結(jié)構(gòu)的斷裂，這可以通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)顯影液來(lái)解決，將有機(jī)結(jié)構(gòu)溶劑在顯影液中，而不用暴露在電子束下。隨后，溶解抗蝕劑，淀積金屬或電介質(zhì)層從而得到想要的納米級(jí)圖案。

該方法使用了剝離工藝，所以由EBL定義的初始模板需要是逆轉(zhuǎn)的目標(biāo)圖案。EBL提供了很高的可能性來(lái)加工光刻衍射極限下的納米尺度特征，而且不需要物理掩模來(lái)轉(zhuǎn)移圖案。對(duì)于超材料來(lái)說(shuō)，EBL技術(shù)可以用來(lái)加工使用在可見(jiàn)光范圍的亞波長(zhǎng)分辨率諧振器。圖5 展示出用EBL技術(shù)在光電聚合物（PC403）基板上的多層諧振結(jié)構(gòu)。

圖5 使用電子束光刻技術(shù)加工的包含4層金的超材料，間隔層是PC403 盡管EBL技術(shù)在納米和亞微米尺度略有建樹(shù)，但為了制作更大面積更高性能的超材料，有三個(gè)主要限制需要突破：由于該技術(shù)的串行特性而引起的寫入時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題、接口誤差對(duì)周期性造成的影響以及電子束的較低的穩(wěn)定性問(wèn)題。

即使對(duì)小面積圖案來(lái)說(shuō)其寫入時(shí)間也是較長(zhǎng)，每次只對(duì)一個(gè)元件作用也決定了輸出量的減小。例如，為3mm*3mm的圖案寫區(qū)也需要24個(gè)小時(shí)。此外，這種串行圖案化工藝中還浮現(xiàn)出了一系列問(wèn)題如由于漂移而引起的電子束的不穩(wěn)定性。大面積圖案所使用的多臺(tái)移動(dòng)導(dǎo)致了很差的分辨率和較大的連接缺陷。其次，拼接錯(cuò)誤也導(dǎo)致了重復(fù)性圖形單元制作時(shí)偏差的增加。

最后，電子束的穩(wěn)定性和精確度也是影響該技術(shù)有效性的重要因素。波束阻斷是一種外部電壓源，被用來(lái)開(kāi)和關(guān)電子束，進(jìn)而進(jìn)行納米級(jí)特征加工。在長(zhǎng)的寫入時(shí)間中，當(dāng)前的任何波動(dòng)都會(huì)引起不一致的曝光，從而導(dǎo)致PMMA顯影時(shí)間的不確定性以及引入幾何誤差。

3D加工技術(shù)

3D加工技術(shù)可以提供低于衍射極限的成像、隱身、量子懸浮以及感測(cè)能力，所以人們對(duì)它的興趣日益上升。平面工藝技術(shù)簡(jiǎn)單易行，被用于多層三維超材料的加工上面。然而，這樣的多層超材料經(jīng)常遭受各向異性的困擾。在高級(jí)應(yīng)用中，隱身斗篷需要很精確的各項(xiàng)同性的超材料，以此可以在一定空間內(nèi)對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率控制。具有各向異性的超材料，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率并不能通過(guò)平面工藝獲得。因此，進(jìn)一步發(fā)展納米超材料的制作技術(shù)，需要實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)同性的亞波長(zhǎng)超材料。

有很多先進(jìn)的工藝已經(jīng)用于3D超材料的制作了，比如壓印光刻、微立體光刻、立柱超晶格、多光子聚合、多層電鍍（圖6）以及干涉光刻。然而，這些先進(jìn)的技術(shù)仍然有著很多限制，如工藝的復(fù)雜性、實(shí)現(xiàn)的可能性和轉(zhuǎn)印到柔性基板的可行性。

通過(guò)綜合激光寫入與化學(xué)氣相沉積技術(shù)，我們探索創(chuàng)建了3D開(kāi)口環(huán)諧振器（SRR）。化學(xué)氣相沉積可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)可以均勻的涂覆金屬膜，這一特性是物理沉積所達(dá)不到的。具有不同高度的SRR已被實(shí)驗(yàn)證明其諧振在不同的頻率。

圖6

a 電子顯微鏡下基于聚酰亞胺基板的豎直3D超材料

b 柔性3D超材料實(shí)物圖，另附單元結(jié)構(gòu)

聚焦離子束（FIB）銑削是另一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)納米尺寸特征的三維的制造技術(shù)，并且其可具有高的深寬比。用FIB技術(shù)設(shè)計(jì)制作的漁網(wǎng)型共振器是是第一批3D光學(xué)超材料中的一種，這些超材料具有各向異性的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，并且有較寬的頻譜。這種3D網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來(lái)源于多層金屬和導(dǎo)電層的沉積，銀層（11層）和氟化鎂層（10層）交替，共21層。隨之使用FIB技術(shù)來(lái)刻蝕具有高深寬比的納米尺度特征（圖7）。

圖7 由聚焦離子束銑削加工的21層網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 銀層（11層）和氟化鎂層（10層）p=860nm,a=565nm,b=265nm.Chanda 等人使用了類似的刻印技術(shù)用等離子體刻蝕一種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，同時(shí)也用上了納米刻印技術(shù)和多層電子束蒸發(fā)技術(shù)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)超材料的負(fù)透射率。這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)印到PCMS基板上面，然后再使用轉(zhuǎn)印技術(shù)將其復(fù)制到堅(jiān)硬的基板上面（圖8）。上述納米工藝可以應(yīng)用到紅外和可見(jiàn)光頻率范圍的大面積3D超材料上。將來(lái)，綜合了刻印技術(shù)與大面積光刻技術(shù)之后，可以加工具有大的負(fù)透射率的材料，而這種材料現(xiàn)在是由于壓印的印痕、低的深寬比和低的可重復(fù)性而不能實(shí)現(xiàn)。

圖8 a 納米轉(zhuǎn)印技術(shù)原理

b、c 電子掃描顯微鏡下的硅模板

d 多層超材料轉(zhuǎn)印到目標(biāo)基板

三維DLW（direct laser writing）技術(shù)可以用來(lái)開(kāi)發(fā)研制復(fù)雜幾何形狀的超材料。該技術(shù)包含了很收斂的激光束在光刻膠體積內(nèi)入射到衍射極限光斑上。這就可以實(shí)現(xiàn)三維亞微米結(jié)構(gòu)的制作，也可以將圖案加工在任意形狀或者復(fù)雜的相互交聯(lián)的材料網(wǎng)絡(luò)，上面這些技術(shù)是傳統(tǒng)光刻所達(dá)不到的。盡管直寫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率，但它的出產(chǎn)率很低且只可用于特定范圍的基板。使用多波長(zhǎng)的激勵(lì)/消耗技術(shù)可以改善工藝分辨率。近來(lái)，吳等人建立了一種替代的方法，通過(guò)使用一種全金屬、自支撐的手性材料，可以實(shí)現(xiàn)高深寬比、寬帶圓二色譜特性，這種材料可以由印刷和熱印制而成。Buckmann 等人展示了一種修正的“插入式”DLW技術(shù)，用以獲得微米尺度的超材料結(jié)構(gòu)。使用標(biāo)準(zhǔn)的DLW技術(shù)制作的超材料高度局限于幾十微米。對(duì)于“插入式”3D DLW技術(shù)并沒(méi)有這種限制，光刻膠本身作為基板與鏡頭之間的浸沒(méi)液。這就可以使制作工藝總高度達(dá)到毫米量級(jí)。圖9展示出一種典型的3D超材料在SEM顯微鏡下的圖像，這種超材料是用DLW技術(shù)加工的，并且有著機(jī)械可調(diào)諧性。

圖9 掃描電鏡下不同倍率的3D超材料

掩模光刻（MPL）是另一種可以加工微米規(guī)模3D超材料的先進(jìn)技術(shù)。使用這種技術(shù)，SRR可以直接刻印在立方體取向的SU-8基板上。基于如此精確的控制，通過(guò)復(fù)雜圖案的加工，MPL技術(shù)有可能會(huì)徹底改革未來(lái)在紅外和可見(jiàn)光頻率的3D超材料結(jié)構(gòu)。采用MPL技術(shù)設(shè)計(jì)的SRR是用來(lái)將磁場(chǎng)耦合到入射電磁波上。

盡管上述大部分技術(shù)都有希望用于3D超材料的制備，但它們并沒(méi)有足夠的靈活性。一些技術(shù)是復(fù)雜的，需要多個(gè)制作步驟，這會(huì)降低結(jié)構(gòu)的分辨率；另一些則受到材料和基板選擇的限制。此外，轉(zhuǎn)印技術(shù)依靠表面的化學(xué)活性所以也是一種基板依賴型。雖然綜合的軟光刻和光刻技術(shù)已經(jīng)被用來(lái)將圖案直接轉(zhuǎn)印在高度彎曲的基板上，但實(shí)現(xiàn)高分辨率的圖案（<0.1）仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

超材料的調(diào)諧技術(shù)

機(jī)械調(diào)諧

可機(jī)械形變的柔性基板通常用于調(diào)諧超材料的諧振頻率。將拉伸力作用在基板上，改變諧振器的幾何形狀，也改變了其電磁耦合，進(jìn)而就改變了諧振頻率。這種方法已經(jīng)被用于調(diào)諧Fano共振通過(guò)對(duì)PDMS膜施加單軸機(jī)械應(yīng)力。等離子納米結(jié)構(gòu)的調(diào)諧對(duì)可調(diào)諧納米光子器件的發(fā)展提供了新的途徑，比如可調(diào)諧濾波器和傳感器。由于等離子納米結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的高靈敏度，機(jī)械調(diào)節(jié)十分有效。同時(shí)，機(jī)械調(diào)節(jié)也可以對(duì)米結(jié)構(gòu)或納米單元結(jié)構(gòu)的做對(duì)稱性調(diào)節(jié)，這種性能對(duì)光學(xué)特性有著很大的影響。

彈性基板的機(jī)械形變可以通過(guò)控制方式來(lái)修改諧振元件之間的距離。圖10表示使用PDMS基板的超材料已經(jīng)被用在THz和可見(jiàn)光頻率范圍的調(diào)諧。圖10（a）表示一個(gè)在可見(jiàn)光頻率可調(diào)諧的SRR超材料，其調(diào)節(jié)原理是通過(guò)柔性PDMS基板的機(jī)械形變來(lái)改變諧振頻率。諧振器的機(jī)械調(diào)節(jié)是拉伸基板時(shí)，在可見(jiàn)光頻率基板的拉伸變化比諧振線寬的大。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明SRR結(jié)構(gòu)在相對(duì)大高達(dá)50％的單軸應(yīng)變所造成的共振頻率的變化可達(dá)4％。此調(diào)諧機(jī)制也被用來(lái)調(diào)節(jié)表面增強(qiáng)紅外吸收，其反射信號(hào)可達(dá)180倍的提高。

在PDMS基板上面加工的等離子表面領(lǐng)結(jié)型天線同樣也用納米模板光刻技術(shù)。結(jié)型天線之間的縫隙可以誘導(dǎo)獨(dú)特的電磁響應(yīng)，如等離子體所引起了透明度與大的近場(chǎng)強(qiáng)度。由于這些結(jié)構(gòu)的機(jī)械形變，當(dāng)縫隙以10nm為步長(zhǎng)從45nm到25nm變化時(shí)引起頻率的紅移。這種印在PDMS上的超材料可以覆蓋在非常規(guī)表面上，比如光纖，這就可以使新的功能性光子探測(cè)和天線得以研制，將可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)境的變化。

圖10（b）展示出另一種用來(lái)機(jī)械調(diào)節(jié)THz頻率的超材料的結(jié)構(gòu)。圖示為一種在被拉伸了的PDMS基板上面的超材料。材料的單元結(jié)構(gòu)貼在褶皺的結(jié)構(gòu)上面，這種結(jié)構(gòu)的最高形變率可達(dá)52.1%，因此允許更寬的傳輸響應(yīng)和機(jī)械可調(diào)諧性。

圖10 以PDMS為基板的機(jī)械可調(diào)諧超材料

a 光學(xué)超材料

b蜂窩THz超材料

c 左邊兩個(gè)平整的THz超材料

右邊兩個(gè)交錯(cuò)的THz超材料

圖10（b）中蜂巢結(jié)構(gòu)超材料的布置是完全均衡的，以此來(lái)達(dá)到非偏振的響應(yīng)。然而，處于褶皺狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)對(duì)極化非常敏感。實(shí)驗(yàn)證明其對(duì)TE波的傳輸響應(yīng)要比對(duì)TM波的傳輸響應(yīng)高90%。褶皺超材料的極化依賴特性已被用來(lái)作相位阻滯器。

圖10（c）所示圖形是諧振頻率在THz范圍可調(diào)的”I”型諧振器，分為兩種，有或者沒(méi)有交錯(cuò)的縫隙。拉伸10%就可以達(dá)到8%的諧振頻率調(diào)節(jié)。相比于圖10（a）的拉伸50%才有4%的可調(diào)范圍好了很多。“I”型結(jié)構(gòu)諧振器延展成對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)來(lái)得到依靠極化作用調(diào)諧的結(jié)構(gòu)，在壓變傳感方面有很大的發(fā)展空間。

盡管別的方法也可以用來(lái)處理共振器，這些方面下面兩部分會(huì)提到，機(jī)械形變調(diào)諧有著不可動(dòng)搖的地位，它可以在不改變材料組成的情況下精確控制整體的設(shè)計(jì)、對(duì)稱性以及系統(tǒng)的響應(yīng)。

除了機(jī)械調(diào)諧以外，還有其他好多的調(diào)諧方法。包括機(jī)電位移、熱退火和改變超流體密度。綜合了相變器、半導(dǎo)體、石墨烯、碳納米結(jié)構(gòu)、非線性和液晶的超材料也是一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，Zheludev等人研究論述了這些問(wèn)題。另外一些別的調(diào)諧技術(shù)的研究也將在下面文章中做出討論。

機(jī)電位移 將機(jī)械形變調(diào)諧的概念擴(kuò)展，應(yīng)用電激勵(lì)來(lái)誘導(dǎo)機(jī)械壓力的變化，引申出了機(jī)電調(diào)諧。在機(jī)電調(diào)諧中，諧振器的機(jī)械形變是靠外部偏壓來(lái)誘導(dǎo)的。林等研究人員利用微機(jī)電系統(tǒng)研究了一種在懸臂結(jié)構(gòu)中浮空的有雙開(kāi)口環(huán)陣列的共振器（DSRR）。懸臂結(jié)構(gòu)取代了外加偏壓的激勵(lì)，隨后利用其自身懸臂壓力的變化來(lái)反饋真實(shí)偏壓的變化。DSRR的這種機(jī)電調(diào)諧可以用來(lái)展示在THz方面的可調(diào)諧濾波器。在這里靜電力取代了偏壓來(lái)控制懸臂的曲率。20V的偏壓可使諧振頻率可調(diào)0.5THz。

其他的調(diào)諧技術(shù)

這部分我們討論對(duì)不同硬度的基板超材料所使用的調(diào)諧技術(shù)。這些技術(shù)可以用來(lái)調(diào)諧柔性超材料。基于柔性材料的更高的自由度，在外部激勵(lì)下獲得更多的內(nèi)部磁化，使用晶格位移技術(shù)、熱激勵(lì)技術(shù)有望提高材料的可調(diào)諧度。

晶格位移技術(shù)

圖11（a）所示為可重構(gòu)超材料的概要，Lapine等人研發(fā)的晶格結(jié)構(gòu)調(diào)整被用來(lái)調(diào)諧超材料的傳輸特性。他們利用對(duì)晶格參數(shù)有依賴作用的諧振頻率，并且改變xy平面的各層周期橫向位移。超材料的側(cè)向位移導(dǎo)致的諧振器在x或y方向上的移位，從而導(dǎo)致諧振頻率的劇烈變化如圖11（b）。使用這種方法，可以達(dá)到諧振頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)。這種調(diào)諧技術(shù)可以用在更加寬的電磁波段和其他形狀的諧振器中。為了實(shí)現(xiàn)這種智能的在高頻連續(xù)可調(diào)的超材料，能夠產(chǎn)生大面積多層超材料結(jié)構(gòu)的微、納米工藝是必須的，同時(shí)可以在三個(gè)方向都能良好控制的晶格位移材料也是不可或缺的。

圖11 晶格位移所制作的可重構(gòu)的超材料

a 超表面位移原理

b 不同膠片下的傳輸響應(yīng)

熱激勵(lì)

實(shí)驗(yàn)證明使用溫度來(lái)控制介電常數(shù)這一方法已經(jīng)被用在調(diào)節(jié)THz波段的諧振器。這依賴于氧化物包括溫度感應(yīng)在內(nèi)的多功能特性。由SrTiO3制成的于溫度相關(guān)非磁性棒已經(jīng)用于調(diào)節(jié)THz頻率，其調(diào)節(jié)是通過(guò)控制溫度完成的。實(shí)驗(yàn)證明溫度從300K變化到120K時(shí)，諧振頻率改變了44%。

熱激勵(lì)也被用來(lái)調(diào)節(jié)超材料。一個(gè)由懸臂支撐的SRR超材料也被證實(shí)可以用在調(diào)諧電磁反應(yīng)，它的懸臂平面對(duì)熱退火反應(yīng)較為敏感。然而熱退火致動(dòng)過(guò)程是種被動(dòng)調(diào)諧，調(diào)諧中的SRR一旦改變就不可能再返回到初始狀態(tài)。因此，像電阻、壓電和靜電致動(dòng)這樣的調(diào)諧技術(shù)必須要進(jìn)一步的研究才能用來(lái)調(diào)諧超材料。

結(jié)論和展望

在本文中對(duì)柔性可塑基板的超材料最新進(jìn)展做了基本的介紹。包括超材料在現(xiàn)實(shí)設(shè)備中的使用、國(guó)家最先進(jìn)的工藝技術(shù)和對(duì)柔性基板超材料的調(diào)諧（或者擴(kuò)展到一些柔性器件的關(guān)鍵性技術(shù)）。

超材料以經(jīng)可以制作在各種聚合物上，這些聚合物的特性在超材料的功能中起著很大的作用。這項(xiàng)工作著眼于普通聚合物的細(xì)節(jié)特征，研究人員詳細(xì)的總結(jié)了這些聚合物的使用方法。具有低電耗和優(yōu)良機(jī)械特性的基板是用作調(diào)諧超材料的優(yōu)先選擇。

綜述了柔性基板超材料的制造工藝。傳統(tǒng)的微、納加工技術(shù)被廣泛用在THz和可見(jiàn)光頻率器件上，并且正向著新技術(shù)轉(zhuǎn)化。掩模刻蝕技術(shù)和納米壓印光刻技術(shù)也以及克服了一些由柔性基板的引入而出現(xiàn)的問(wèn)題。膜投影光刻和直接激光寫入技術(shù)在復(fù)雜圖形方面略有建樹(shù)，肯能加工出復(fù)雜的各項(xiàng)同性超材料結(jié)構(gòu)。

機(jī)械形變調(diào)諧很有希望獲得有適合響應(yīng)的可調(diào)諧超材料而不加入別的復(fù)雜設(shè)計(jì)和構(gòu)造。這種技術(shù)可以得到超材料的動(dòng)態(tài)調(diào)諧而不需要加偏置電壓、非線性分量和MEMS開(kāi)關(guān)。此外，機(jī)械調(diào)諧并不受使用頻率的限制，它可以擴(kuò)展從微波、THz到可見(jiàn)光波段。通過(guò)分子水平加強(qiáng)了動(dòng)態(tài)表面紅外吸收，機(jī)械調(diào)諧超材料的能力達(dá)到了新的高度。對(duì)于柔性基板，超材料和等離子納米結(jié)構(gòu)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)十分敏感，這為光子電路、生物系統(tǒng)、天線、傳感器（應(yīng)變、溫度、電介質(zhì)、生物分子、化學(xué)等）、俘能設(shè)備、可調(diào)諧隱形裝置提供了新的技術(shù)創(chuàng)新，可以讓它們工作在更寬的頻率幅度，克服了特定波長(zhǎng)和角度的限制，還有可以使用超透鏡在原子尺度成像。為了使這些應(yīng)用更好的實(shí)現(xiàn)，新的研究正在開(kāi)展來(lái)研發(fā)出有更好分辨率的諧振器使用在更高的頻率波段、更大面積的柔性基板、3D超材料、各項(xiàng)同性響應(yīng)結(jié)構(gòu)、更快的調(diào)諧能力的機(jī)械可調(diào)諧超材料。

超材料的局限性突破通過(guò)使用柔性可塑基板實(shí)現(xiàn)了更寬的可調(diào)諧性。到目前為止，這有趣的工作已經(jīng)突出應(yīng)用在了THz超材料領(lǐng)域，并展示了天線、濾波器、吸收器和傳感器的實(shí)用性。主要由于缺乏用于控制THz頻率所需的光子元件。進(jìn)一步的研究正在展開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)3D THz超材料的流行應(yīng)用。目標(biāo)將會(huì)是各項(xiàng)同性響應(yīng)超材料，它開(kāi)辟了超材料在THz、紅外以及可見(jiàn)光頻率的使用。調(diào)諧機(jī)制的發(fā)展和制作工藝的進(jìn)步是未來(lái)超材料發(fā)展的關(guān)鍵因素。

超材料天線以其自身的優(yōu)勢(shì)，打開(kāi)了市場(chǎng)的需求，市場(chǎng)上有輕質(zhì)、高效路由器，移動(dòng)電話和機(jī)場(chǎng)掃描儀。然而，集成天線的其他功能就沒(méi)那么有優(yōu)勢(shì)了，不過(guò)這種情形可以通過(guò)使用柔性基板來(lái)改善。出于超材料本身吸收與傳輸電磁波能力，它也被用來(lái)俘獲電磁能量。盡管這種俘能設(shè)備以經(jīng)證明可以使用在微波波段，實(shí)際還是需要更高分辨率的大面積的納米結(jié)構(gòu)，用來(lái)使用在更高的頻率。未來(lái)的超材料，從簡(jiǎn)單的充電設(shè)備到房屋里的窗戶，都可以吸收以前認(rèn)為不可能的電磁能。

由此可以得出結(jié)論，柔性聚合物可以在機(jī)械形變調(diào)諧中展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。使用柔性基板的超材料可以聯(lián)接其他組件和非常規(guī)表面。在柔性基板上加工更高分辨率的微、納規(guī)模的圖形，這種加工工藝是未來(lái)超材料發(fā)展的關(guān)鍵。

致謝

澳大利亞研究協(xié)會(huì)承認(rèn)項(xiàng)目DP1092727(MB)DP1095151(WW)DP110100262(SS)和DP130100062(SW,SS).感謝維多利亞和AFAS-Vic協(xié)會(huì)的支持，感謝參與本文的合作者和同事。

第二篇：論文翻譯——超表面理論及應(yīng)用

超表面理論及應(yīng)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

譯

摘要

超材料通常由按一定規(guī)律排布的散射體或者通孔構(gòu)成，由此來(lái)獲得一定的性能指標(biāo)。這些期望的特性通常是天然材料所不具備的，比如負(fù)折射率和近零折射率等。在過(guò)去的十年里，超材料從理論概念走到了市場(chǎng)應(yīng)用。3D超材料也可以由二維表面來(lái)代替，也就是超表面，它是由很多小散射體或者孔組成的平面結(jié)構(gòu)，在很多應(yīng)用中，超表面可以達(dá)到超材料的效果。超表面在占據(jù)的物理空間上比3D超材料有著優(yōu)勢(shì)，由此，超表面可以提供低耗能結(jié)構(gòu)。文章中將討論到超表面特性的理論基礎(chǔ)和它們不同的應(yīng)用。我們也將可以看出超表面和傳統(tǒng)的頻率選擇表面的區(qū)別。

在電磁領(lǐng)域超表面有著很廣泛的應(yīng)用（從微波到可見(jiàn)光波段），包括智能控制表面、小型化的諧振腔、新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、角獨(dú)立表面、吸收器、生物分子設(shè)備、THz調(diào)制和靈敏頻率調(diào)節(jié)材料等等。文中綜述了近幾年這種材料或者表面的發(fā)展，并讓我們更加接近一百年前拉姆和Pocklington或者之后的Mandel和Veselago所提出的令人驚訝的觀點(diǎn)。

引言

最近這些年，超材料這方面一直引領(lǐng)著材料的潮流。超材料是一種新的人工合成材料來(lái)得到自然材料所不具備的一些特性。在電磁背景中，這方面最早的實(shí)例就是人工電介質(zhì)。之后，我們將會(huì)看到和經(jīng)典結(jié)構(gòu)完全不同的超材料和超表面，比如光子能帶隙結(jié)構(gòu)（PBG）、頻率選擇表面（FSS）。雙負(fù)指數(shù)（DNG）超材料是一種盛行的超材料，也叫作負(fù)指數(shù)材料（NIM）、左手材料等（LHM）。這種材料的特性是在給定的頻率帶寬內(nèi)其有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是負(fù)的。另一種特性是近零折射率。在這種材料中，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都被設(shè)計(jì)成接近于零。擁有這些特性的材料可以應(yīng)用在很寬的頻率范圍（微波到可見(jiàn)光頻段），并且其應(yīng)用也很廣泛，如隱身、低反射材料、新型結(jié)構(gòu)、天線、電子調(diào)諧、超透鏡和諧振器等。

現(xiàn)在的超材料研究來(lái)源于對(duì)Bexelago理論的仿真，或者是基于之后Pendry、Smith等人所實(shí)現(xiàn)的超材料結(jié)構(gòu)。然而，這個(gè)領(lǐng)域中很多研究者并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到負(fù)折射率超材料的概念和它們令人吃驚的性能可以回溯至那么早的時(shí)間段。實(shí)際上，這種材料的理論可以回推到一個(gè)世紀(jì)以前。早在1967年，一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)超材料做出了研究，而更早的Sivukhin在1957年對(duì)超材料的特性做了簡(jiǎn)單的描述。Malyuzhinets和Silin都相信L.I.Mandel在更早的時(shí)間里做過(guò)超材料研究。Mandel提到關(guān)于Lamb的1904年的報(bào)紙，稱Lamb或許是這一領(lǐng)域的第一人。Lamb提出了反波的存在性（在相反方向上擁有相位和群速度的波，他的實(shí)例包含機(jī)械系統(tǒng)而不是電磁波）。Schuster在他1904年的可見(jiàn)光書中簡(jiǎn)短的談及了Lamb的工作，并提出了在可見(jiàn)光介質(zhì)中或許也有著反波的特性。1905年，Pocklington展示在某種情況下靜止的自行車鏈條可以產(chǎn)生反波，加上突然的激勵(lì)可以產(chǎn)生一種擁有遠(yuǎn)離波源的群速度和朝向波源的相速度。

超材料通常是用規(guī)律排列的小散射體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，以此來(lái)獲得期望的性能。超材料可以被擴(kuò)展成二維分布的電子散射體圖1.圖1a闡述一種普遍的散射體排布，而圖1b-1d展示更多的特殊例子。圖1b展示一種金屬散射體排布，它可以獲得與經(jīng)典開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的磁響應(yīng)類似的電響應(yīng)。圖1c展示一種球粒陣列（基于此引入了3D超材料，來(lái)源于早期Lewin的工作，但更早的是100年前Gans和Happel的預(yù)測(cè)）。圖1d為陶立方排布。超材料的這種表面結(jié)構(gòu)最初命名為超薄膜，表示一個(gè)表面上分布著小的散射體。值得一提的是每個(gè)散射體的都是很薄的（甚至比晶格常數(shù)小），可以有任意的形狀，可以有亞波長(zhǎng)尺度。與超材料類似，超薄膜也可以通過(guò)其散射體的排布來(lái)有其特有的電磁特性。超薄膜又稱超表面或單層超材料。在1.1和1.2部分我們將簡(jiǎn)化其稱呼。

對(duì)于很多應(yīng)用，超表面可以用于放置超材料。超表面相對(duì)于3D超材料來(lái)說(shuō)有著占有更小物理空間的優(yōu)勢(shì)，由此，超表面可以提供更低能耗的結(jié)構(gòu)。近幾年，超表面在從微波到可見(jiàn)光波段的應(yīng)用取得了巨大的成就。除了可用在上面所說(shuō)的超材料的應(yīng)用外，超表面還可以實(shí)現(xiàn)智能表面控制、小型化諧振腔、新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單而寬角度吸收器、阻抗匹配表面和生物分子器件。下面也將會(huì)更詳細(xì)的談到其中的一些應(yīng)用。

1.1 超表面與頻率選擇表面

下面說(shuō)一說(shuō)超材料（MM）和傳統(tǒng)光子帶隙(PBG)或電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別，另外超材料和傳統(tǒng)頻率選擇表面（FSS）的區(qū)別。第一種超材料可以使用超表面來(lái)發(fā)展創(chuàng)新。對(duì)于超材料來(lái)說(shuō)，能熟知周期材料在不同頻率或者不同尺寸的電磁響應(yīng)非常重要。這種復(fù)合材料可以分成三種完全不同的部分（圖2）。對(duì)于3D超材料來(lái)說(shuō)，第一部分是準(zhǔn)靜態(tài)部分。這就暗含低頻的意思（亞波長(zhǎng)段頻率）。這種散射體將會(huì)具有誘導(dǎo)的或者永久的偶極柜，這也是經(jīng)典材料的性質(zhì)。另外，這種散射體可以通過(guò)改變形狀或者位置來(lái)獲得想要性質(zhì)的人工復(fù)合材料。在這一部分，描述使用經(jīng)典的材料混合來(lái)得到目標(biāo)特性（介電常數(shù)、磁導(dǎo)率）

當(dāng)波長(zhǎng)可以與結(jié)構(gòu)周期相近或者比周期小時(shí)，會(huì)有特別的響應(yīng)發(fā)生，見(jiàn)圖2的第三部分。在這種頻率下，存在一種更加復(fù)雜的場(chǎng)，這就需要用更加精密的分析技術(shù)（全波方法）。傳統(tǒng)的分析方法是Floquet-Bloch理論，其中的場(chǎng)擴(kuò)展到有各種不同方向的平面波。當(dāng)波長(zhǎng)接近周期時(shí)，就需要考慮到更高要求的Floquet-Bloch理論。這種高要求模型就會(huì)通過(guò)復(fù)合材料干擾基波的傳播，在這種頻率范圍中我們稱復(fù)合材料為光子帶隙或者電磁帶隙材料。在某種頻率范圍，光子帶隙和電磁帶隙材料會(huì)阻礙到EM波的傳播，這種頻率帶就稱為阻帶。別的頻率中，這種材料的通過(guò)率很高，這種頻率就為通帶。布拉格散射效應(yīng)就是與這種頻率有聯(lián)系，它是很多實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。

圖2的第二部分也是處在亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，不過(guò)期單元散射體可以達(dá)到共振。這就實(shí)現(xiàn)了另一種人工材料（MM），實(shí)現(xiàn)了自然材料所沒(méi)有的特性（如雙負(fù)或近零指數(shù)材料）。第二部分，那些共振體是其成為超材料的原因所在。我們可以通過(guò)有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來(lái)標(biāo)明超材料的特性。

二維陣列（超表面）也有相似的特性。對(duì)于二維格子陣列來(lái)說(shuō)，第一部分復(fù)合材料屬于經(jīng)典薄膜材料，第三部分是周期性的共鳴器。另一方面講，當(dāng)我們談及超表面時(shí)，就是在說(shuō)第二部分的共鳴器散射體而不是周期性結(jié)構(gòu)。普通的頻率選擇表面有時(shí)會(huì)是運(yùn)行在這種體制下，但這種類型的操作和第三部分的并沒(méi)有明確的標(biāo)出。

值得注意的是圖2所示的第二部分并不常見(jiàn)。這種散射體需要特別的設(shè)。例如，如果是 圖7中球形粒子的特性或者半徑非常小，或者是散射體的形狀、尺寸沒(méi)有做合適的選擇，散射體的共振將會(huì)趨向于Floquet-Bloch模型，就實(shí)現(xiàn)不了雙負(fù)材料。在Floquet-Bloch模型中散射體共振將會(huì)被吸收，這種介質(zhì)模型就不能充分描述復(fù)合材料。總的來(lái)說(shuō)，圖2中第一、第二部分會(huì)出現(xiàn)在某種復(fù)合材料介質(zhì)的情況中。第一部分（經(jīng)典混合理論），其有效特性不依賴頻率。第二部分（散射體共振），其材料具有頻率依賴特性。在這部分中，可以實(shí)現(xiàn)3D雙負(fù)指數(shù)材料和別的共振器。最后一部分中，電磁場(chǎng)和周期材料的相互作用非常復(fù)雜。我們不再將復(fù)合材料稱為有效介質(zhì)。當(dāng)波長(zhǎng)接近結(jié)構(gòu)周期時(shí)，更高要求的Floquet-Bloch模型需要考慮進(jìn)去，超材料和超表面就是這樣。

1.2 超表面類型

超表面結(jié)構(gòu)就是二維的周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。在一般的研究中，我們將超表面列為兩類。一種是有著陶瓷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（一種絕緣散射體）圖1a所示，稱其為超薄膜，有著很多應(yīng)用。另一種是漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)（圖3），稱為元幕。這些材料是由在阻抗表面周期排列的孔制成。別的種類超表面基于這兩者之間。例如，平行導(dǎo)線光柵在垂直導(dǎo)線方向表現(xiàn)出超薄膜的特性，而在沿軸方向就表現(xiàn)為元幕性質(zhì)。

1.3超表面模型

模擬超材料的傳統(tǒng)的、最方便的方法是有效介質(zhì)理論。在這種方法中，某些類型的平均是用在超材料周期單元結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)上面。從這些平均值中，可以確定超材料的有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率（以及折射率）。值得一提的是，只有當(dāng)波長(zhǎng)相對(duì)于晶格常數(shù)足夠大時(shí)候平均才是有效的。對(duì)于場(chǎng)的周期單元平均定義有效材料性能是正確的方法（那種勻質(zhì)平均的類型），許多研究人員已經(jīng)在實(shí)踐中使用根據(jù)一些計(jì)算出厚度的超材料樣品來(lái)得到期望的反射和透射系數(shù)。尼科爾森-羅斯-韋爾（NRW）的方法或它的變形，可以用于獲取超材料的有效材料性能。需要注意的是，當(dāng)使用范圍是負(fù)指數(shù)材料時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的NRW方法必須進(jìn)行修正。典型地，一個(gè)平方根的符號(hào)的選擇是由明確的通過(guò)確保在傳播方向正功率溢流。在某些情況下，還必須考慮到樣品的邊界附近局部影響。如果使用得當(dāng)，有效介質(zhì)的方法是用于表征超材料的很合適的方法。

嘗試使用類似的超表面參數(shù)分析很少成功。一些以前的超表面研究把其當(dāng)做是單層超材料薄膜，這種模型的材料特性是任意的引入一個(gè)非零厚度參數(shù)來(lái)獲得的。這有一些人為物理結(jié)構(gòu)參數(shù)的問(wèn)題：這些超表面的參數(shù)特征是錯(cuò)誤的。傳統(tǒng)計(jì)算方法的展開(kāi)可以給我們一些提示，當(dāng)以樣品尺寸建模時(shí)，必須考慮樣品邊界效應(yīng)，就像兩個(gè)不同切面上的效應(yīng)一樣。

為了說(shuō)明其中難點(diǎn)，我們使用圖1中對(duì)等的厚度為d（圖4）的材料層來(lái)代替超表面。其有效特性是由上文中HRW方法所得出。問(wèn)題是上述所得有效特性對(duì)于超表面來(lái)說(shuō)并不唯一，雖然散射體的幾何特性和晶格常數(shù)一定，但厚度d不確定。實(shí)際上，d在合理限制中可以任意取值。由于d不是唯一確定的，所以由其而得的超表面特性也不是唯一的。因此，與報(bào)道中相反的是，把超表面看成等效介質(zhì)所得的有效特性都是不合適的并且導(dǎo)致了錯(cuò)誤的闡釋。Smith等人堅(jiān)持這個(gè)觀點(diǎn)，認(rèn)為‘εd’很可能是常量。在文獻(xiàn)[101]中介紹了易受影響的表面和有效特性直接的關(guān)系，認(rèn)為對(duì)于超表面來(lái)說(shuō)，不能定義獨(dú)立于d的ε和μ。由此說(shuō)明ε和μ是d的函數(shù)，并且唯一確定。這種結(jié)果就是說(shuō)d、ε和μ是任取的。也就是我們?nèi)绻俣ê穸纫矠槌Ａ烤涂梢允褂眠@種有效特性。但對(duì)于不同的厚度來(lái)說(shuō)，這種有效特性并不適用，非平面形狀也一樣。如果我們想在一定厚度基礎(chǔ)上使用這種有效特性的話，那是沒(méi)問(wèn)題的。從另一方面說(shuō)，如何改變了厚度而繼續(xù)使用之前的特性，那就是錯(cuò)誤的了。

圖5和圖6強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。圖5展示了球粒陣列中通過(guò)這種方法使用不同的有效厚度d所得的介電常數(shù)。圖6展示不同厚度下的負(fù)折射率。圖5和圖6中可以看出有效特性是厚度

d的函數(shù)，說(shuō)明有效特性并不是超表面所固有的本質(zhì)特性。同樣我們也應(yīng)該指出通過(guò)這種方法所獲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，因果顛倒或者負(fù)材料呈現(xiàn)出大的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率（在文中基于時(shí)間t假設(shè)的ejwt的正虛部）。

在文獻(xiàn)[100]中，論證了超薄膜表面的唯一性，由此，也定義了超表面特性的唯一性。從物理上講，超表面是一種極小的板：當(dāng)電磁波與其作用是會(huì)產(chǎn)生相移或者是振幅的改變。這種超表面最好的定義是通過(guò)普通的板過(guò)渡理論（GSTCs），是對(duì)比于使用在超材料上的有效介質(zhì)描述來(lái)說(shuō)的。這種方法使用在超表面與電磁場(chǎng)交互作用時(shí)候，且符合廣義等效面轉(zhuǎn)換理論。

對(duì)于超薄膜來(lái)說(shuō)，在文獻(xiàn)[23]中所述廣義等效面轉(zhuǎn)換條件與超表面的兩個(gè)面上的電磁場(chǎng)有關(guān)（見(jiàn)圖1a）：

式中av代表超表面兩邊的平均場(chǎng)，t為到z的距離，是單位矢量。?ES和?MS分別是兩

....表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這有著計(jì)量單元，并且與散射體的電磁極化密度相關(guān)。當(dāng)散射體有缺失 這種性質(zhì)會(huì)消失并且方程（1）中E和H的非相關(guān)條件將會(huì)減少。簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們認(rèn)定散射體和晶格對(duì)稱，則表面并失如下：

在這篇文章和文獻(xiàn)[101]中，我們對(duì)于?MS有一個(gè)約定，在H場(chǎng)中右邊項(xiàng)前加一個(gè)負(fù)號(hào)，而E場(chǎng)右邊項(xiàng)加正號(hào)（見(jiàn)方程1）。這種符號(hào)約定與文獻(xiàn)[100]中不一樣。我們選這種約定是因?yàn)楫?dāng)表面磁密度與H在同一方向時(shí)Re(?MS)為正，這也是經(jīng)典磁材料特性定義的組成部分。這種廣義等效面轉(zhuǎn)換條件可以應(yīng)用在更多的方面，如不對(duì)稱性、不均材質(zhì)、以及雙各向異性表面，而且這方面的理論已經(jīng)有了發(fā)展。值得注意的是方程1的約定條件僅適用于超薄膜。具有不同結(jié)構(gòu)的超表面將需要其他的理論條件。例如，周期性隔離孔組成的元幕有著零厚度理想導(dǎo)體，這與廣義等效面轉(zhuǎn)換理論相悖，這可以寫成：

其中E場(chǎng)和B場(chǎng)在元幕中是連續(xù)的。這里，?ES和?MS分別是元幕的電特性和磁特性，并且，與超薄膜表面相似，它們有著長(zhǎng)度。當(dāng)孔不存在時(shí)，就只剩了理想導(dǎo)體平面，那些由孔引起的電、磁特性將會(huì)消失，并且方程3中電場(chǎng)E的切量會(huì)減小。元幕的經(jīng)典邊界條件還沒(méi)有定義出，還需要補(bǔ)間斷的工作來(lái)發(fā)展。像導(dǎo)線光柵這種擁有超薄膜和元幕兩種特性的超材料的邊界條件也一樣需要發(fā)展（在[102][103]中廣義等效面轉(zhuǎn)換條件應(yīng)用在了薄導(dǎo)線光柵上）。

廣義等效面轉(zhuǎn)換條件同樣可以用于阻抗邊界條件。對(duì)于平面波電磁的變量，它是平行于超薄膜的

....我們可以利用麥克斯韋方程將方程1寫成：

其中表面轉(zhuǎn)移導(dǎo)納和轉(zhuǎn)移阻抗由下式給出：

這種邊界條件也可以等效成傳輸線電路。

這種廣義邊界條件可以讓超表面可以有一個(gè)有著無(wú)限薄等效表面的模型。表面幾何的細(xì)節(jié)包含在表面特性的邊界條件中。應(yīng)用在廣義等效面轉(zhuǎn)換條件中的場(chǎng)是一種宏觀場(chǎng)，相比于散射體、孔和晶格來(lái)說(shuō)，其并不具備長(zhǎng)度，但當(dāng)波長(zhǎng)在介質(zhì)周圍是它就有著更大的值。值得注意的是，這種廣義條件由于方程1和3中表面梯度的影響而存在著誤差。如果表面特性可以使用矢量波（沿波的傳播方向）來(lái)計(jì)算的話，這種邊界條件的計(jì)算將更加精確。

如果不需要空間場(chǎng)變量的精細(xì)的結(jié)構(gòu)的話，這種廣義等效面轉(zhuǎn)換條件和麥克斯韋方程一樣都需要分析場(chǎng)與超表面的相互作用。這種邊界條件中的表面特性是位移確定的，并且可以作為描述超表面的物理量。基于這種模型的檢索技術(shù)將在下部分來(lái)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導(dǎo)率（與負(fù)折射率相同）并不唯一確定。這一部分我們將綜述一種超薄膜的唯一的特性，主要是基于反演其反射和傳輸系數(shù)來(lái)獲得。超薄膜的反射（R）和傳輸(T)系數(shù)不管是對(duì)于TE或者是TM波（圖7）都來(lái)源于文獻(xiàn)[24]。

對(duì)于TE波來(lái)說(shuō)：

對(duì)TM波來(lái)說(shuō)：

其中k0是真空波矢。這種反射和傳輸系數(shù)可以用于有著足夠?qū)ΨQ性反射體的超薄膜上。同樣的方法也可以用于更多非對(duì)稱不規(guī)則表面特性，如元幕或更多普通的超表面。這些理論尚有待發(fā)展。

一旦確定了表面的反射和傳輸系數(shù)，表面特性就確定了。在這個(gè)實(shí)例中，每個(gè)偏振波都需要兩種R和T系數(shù)。對(duì)于TE波，其三個(gè)未知特性的推導(dǎo)如下：

其中R(0)和T(0)是正入射波的反射和傳輸系數(shù)，R(θ)和T(θ)是以θ角入射波的反射和傳輸系數(shù)。而對(duì)于TM極化波，其未知特性的推導(dǎo)如下：

在文獻(xiàn)[100]中的符號(hào)錯(cuò)誤已經(jīng)在上式中修正。同樣文獻(xiàn)[101]也做出了修正。

這種方法既可以從理論上又可以從實(shí)驗(yàn)方面確定R和T的值。而對(duì)于普通入射測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，很難分辨其入射和反射成分，如果入射角不為零則結(jié)果會(huì)好很多，祥見(jiàn)文獻(xiàn)[100]。有趣的是，當(dāng)推斷超材料模型的有效特性時(shí)，這種反演方法來(lái)求解超薄膜特性既不用特定的取符號(hào)的平方根，也不需要假定表面層的厚度。

為了確認(rèn)超薄膜這種反演的特性，我們引入一種球粒型超薄膜如圖1c。其中a=10mm, p=25,59mm, εr=2, μr=900, tanδ=0.04。這種結(jié)構(gòu)的極化度是可解析的，因此其表面特性可以根據(jù)文獻(xiàn)[100]給出的方程計(jì)算。如上所說(shuō)，可以通過(guò)設(shè)置不同的R,T來(lái)確定未知量，文獻(xiàn)[100]給出了一些方法。

Figure 8.The surface susceptibilities for a metafilm composed of spherical particles.圖8所示?ES和?ES的實(shí)部和虛部。其結(jié)果是通過(guò)30入射角的數(shù)值仿真所得的R和T。

0zzyy超薄膜模型是球粒陣列，有著對(duì)稱傳輸陣列（）。同樣圖中也給出了文獻(xiàn)[100]分析結(jié)果。通過(guò)對(duì)比，這種反演方法所得結(jié)果和方程計(jì)算結(jié)果一樣。

上述例子和文獻(xiàn)[100]都說(shuō)明了反演方法的正確性。更重要的是，這種計(jì)算結(jié)果說(shuō)明了超薄膜特性是唯一的。

超薄膜也可以用來(lái)計(jì)算3D超材料的有效特性。在這種技術(shù)中，和上面一樣，超薄膜的平面波反射和傳輸系數(shù)用來(lái)計(jì)算表面特性。通過(guò)文獻(xiàn)[23]中應(yīng)用，之后就可以獲得單個(gè)散射體的極化率。通過(guò)把這種超薄膜嵌入三維超材料里，就可以通過(guò)Clausius-Mossottii關(guān)系來(lái)得到有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。這種技術(shù)是一種很有用的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的方法，尤其是當(dāng)波在一個(gè)很小的多層樣本中傳輸時(shí)候。

在本文的其他部分，我們將討論近幾年超表面的各種應(yīng)用。可調(diào)表面

對(duì)于一個(gè)給定的超表面，我們可以通過(guò)很多商用模型來(lái)分析它與電磁場(chǎng)的反應(yīng)。然而，如我們所見(jiàn)，可以通過(guò)廣義等效面轉(zhuǎn)換條件來(lái)獲得平面波的傳輸和反射系數(shù)。對(duì)于超薄膜，適用于方程7和方程8.這些特性與超薄膜的表面特性有關(guān)。這些方程的好處是可以讓我們從物理方面洞察表面特性與反射、傳輸系數(shù)的關(guān)系。方程7和方程8闡釋了通過(guò)控制表面的反射和傳輸系數(shù)可以改變表面特性。

以方程7和方程8為例，我們可以寫出在全反射或者全透過(guò)時(shí)電、磁特性的關(guān)系。在全反射時(shí)：

而對(duì)于全透過(guò)時(shí)所需的條件是：

理論上控制反射和傳輸系數(shù)可以通過(guò)以下機(jī)制來(lái)完成：1，通過(guò)改變散射體的電磁特性；2，通過(guò)改變基板（材料特性或者幾何構(gòu)造）的結(jié)構(gòu)。以球磁粒子組成的超薄膜為例，圖9所示為R關(guān)于散射體磁導(dǎo)率的曲線。圖中可以看出，基于散射體磁導(dǎo)率的變化，超薄膜從全反射變化到了全透射。這種可控表面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，其組成是由球形YIG粒子所組成的超薄膜，控制激勵(lì)是外加DC磁場(chǎng)。圖10所示為這種超薄膜的傳輸特性隨外加DC磁場(chǎng)的變化。一些其他的方法也已經(jīng)可以用來(lái)控制超表面，并且在動(dòng)態(tài)控制領(lǐng)域也有許多研究在開(kāi)展，我們將在第7和第9部分做討論。各向異性超表面：角獨(dú)立特性、吸波器和阻抗匹配表面。

各向異性散射體所組成的超薄膜可以用來(lái)獲得與各項(xiàng)同性超表面所不同的很多應(yīng)用。這些應(yīng)用中的一個(gè)有趣的體超材料是在其內(nèi)設(shè)計(jì)出各向異性的表現(xiàn)。實(shí)際上這個(gè)主意來(lái)著隱身斗篷材料，其有著很大的關(guān)注度。這種材料是通過(guò)在超材料里設(shè)計(jì)各向異性材料來(lái)設(shè)計(jì)的，覆蓋有這種材料的物體可以使光在其表面?zhèn)鞑セ蛘邚澢＝?jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)的各向異性超材料可以達(dá)到既不散射又不吸收能量，這樣就可以在電磁波里實(shí)現(xiàn)隱身效果。現(xiàn)在可以在理論上實(shí)現(xiàn)從射頻到可見(jiàn)光的隱身。但由于材料和結(jié)構(gòu)的本質(zhì)屬性，在獲得寬帶隱身效果來(lái)說(shuō)還有著技術(shù)難點(diǎn)需要突破。試驗(yàn)證明窄帶單偏振的隱身實(shí)例已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。

同樣，這種概念也可以擴(kuò)展到超表面中。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，其表面設(shè)計(jì)將選用散射體所組成的超表面來(lái)達(dá)到期望的性能。例如，理論上可以可以設(shè)計(jì)出一種超表面來(lái)達(dá)到將EM波聚焦到目的區(qū)域，與聚焦天線陣列很像。如果可以按照期望的控制超表面的散射體，就可以得到一種能夠改變能量聚焦所在的方向和頻率的超表面，這種概念現(xiàn)在正在研究。

另一個(gè)例子是怎樣獲得不依賴角度（至少是某種參數(shù)范圍中）的反射和傳輸系數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定的入射角，方程13給出了在發(fā)生全反射時(shí)表面電和磁的磁化系數(shù)。方程13給出了一種可以在這種全反射狀態(tài)下獲得近似角獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。以TE波為例，當(dāng)?MS>>?ES時(shí)，角依賴性被削弱，這是基于方程13中圓括號(hào)前部分控制第二角依賴部分。同樣地，對(duì)于TM波，當(dāng)?MS>>?ES時(shí),其角依賴性同樣變?nèi)酢．?dāng)超薄膜的散射體結(jié)構(gòu)達(dá)到諧振頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生這種性質(zhì)。當(dāng)所指部分占優(yōu)勢(shì)時(shí)，方程13中全反射條件變成： yyzzzzyy

如果超表面設(shè)計(jì)成這種傳輸成分的表面特性的共振相比于普通成分來(lái)說(shuō)非常高，則這種超表面或許會(huì)產(chǎn)生角獨(dú)立特性。這種特性在圖11中闡釋出來(lái)，其中我們畫出了超表面的反射系數(shù)，這個(gè)超表面是由圖1b所示金屬結(jié)構(gòu)組成。在圖中可以看到這個(gè)表面在600入射角處獲得近似角獨(dú)立。

我們可以將這個(gè)概念擴(kuò)展到很多其他的結(jié)構(gòu)上。例如，具有高的各向異性材料的板也可以獲得角獨(dú)立特性。文獻(xiàn)[61]展示，這種特性可以通過(guò)檢測(cè)不同各向異性基板的反射系數(shù)來(lái)觀測(cè)。另外，引進(jìn)計(jì)算電磁學(xué)中的完美匹配層（PML）可以減少輻射邊界所產(chǎn)生的誤差，同樣它也需要這種角獨(dú)立特性。這種PML可以通過(guò)超表面的理念來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種課題正在研究中。

這種結(jié)構(gòu)為發(fā)展緊密的電磁吸波器提供了可匹配的能耗材料，并且使獨(dú)特的阻抗匹配表面得以實(shí)現(xiàn)。基于這種想法的吸波器最近開(kāi)始出現(xiàn)在文獻(xiàn)中[53-58]。這種結(jié)構(gòu)通常由覆蓋有金屬板的能耗基板和其前部的超表面組成（圖1b的第二幅圖）。這種結(jié)構(gòu)或許會(huì)是窄頻的，但它同樣也是很緊湊的。使用超表面的這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它有著很好的角獨(dú)立特性，這在理論和實(shí)驗(yàn)中都是已經(jīng)證明的了。對(duì)于角獨(dú)立特性的物理說(shuō)明如上述或者文獻(xiàn)[60]。

不同的團(tuán)隊(duì)同樣也研究了超表面在阻抗匹配表面的應(yīng)用。與圖12a所示的金屬陣列相似的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被用來(lái)制作寬角度的阻抗匹配表面。這種結(jié)構(gòu)具有高各向異性，可以使角獨(dú)立特性得以實(shí)現(xiàn)。這種薄各向異性超表面的反射特性在圖12b中展示。諧振器尺度的優(yōu)化

Engheta展示了當(dāng)孔中部分填充負(fù)折射率材料時(shí)候，在λ/2尺寸規(guī)模的諧振器結(jié)構(gòu)的尺度還可以再減小。文獻(xiàn)[35,36]中擴(kuò)展了這個(gè)理論，使用超表面也達(dá)到了同樣的效果。利用超表面的優(yōu)勢(shì)是可以理論上比利用3D超材料所實(shí)現(xiàn)的尺寸要小。距離為d的兩個(gè)金屬板之間放置超表面，達(dá)到共振所需要的相位匹配條件是

當(dāng)?M??0時(shí)，n=0不成立。通過(guò)這個(gè)方程，可以看出如果合理設(shè)計(jì)超表面的話，諧振器尺寸可以超越λ/2波長(zhǎng)的限制。

例如，一個(gè)由兩金屬板及其之間的方形片狀物構(gòu)成的超薄膜。圖13所示為三種不同板的諧振頻率關(guān)于l/p（p為周期，l為單個(gè)方形物的尺寸）。當(dāng)l/p=0時(shí)，就是經(jīng)典結(jié)果d=λ/2。對(duì)于一個(gè)給定的d來(lái)說(shuō)，電容性超表面可以很大程度上減小諧振頻率，或者是減小諧振器尺寸以得到期望的諧振頻率。方形片超薄膜諧振器的頻率減小在表1中展示，周期p=500μm。在表中，對(duì)于不同的l/p值列出了相對(duì)應(yīng)的減少值。這個(gè)表的結(jié)果展示了這種結(jié)構(gòu)可以減少共振器尺寸高達(dá)56%。如果經(jīng)過(guò)精細(xì)制作超表面散射體的極化特性，還可以達(dá)到更好的減少尺寸效果。實(shí)際上通過(guò)控制超表面的特性可以實(shí)現(xiàn)頻率靈活的諧振器。波導(dǎo)

對(duì)于一種入射波來(lái)說(shuō)，超表面可以經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)來(lái)使其發(fā)生全反射，這就使俘獲并傳輸電磁能到兩個(gè)超表面之間成為了可能。圖14闡釋了波導(dǎo)的一些現(xiàn)象（與圖7不同的結(jié)構(gòu)使其具有了沿z軸方向傳播的性能）。假定波導(dǎo)方向沿z軸，??k0sin?，對(duì)于TE模型，從方程13可以看出傳輸常量須符合下式以達(dá)到全反射

對(duì)于漏模來(lái)說(shuō)，這個(gè)常量通常很復(fù)雜。如果所選超表面滿足上述標(biāo)準(zhǔn)并且β一定，則x方向的傳輸波數(shù)如下

兩超表面的間距d

其中虛部ne越小越好，需要滿足

和

（后者條件是由于在接近兩個(gè)超表面時(shí)候模型將表現(xiàn)出一種表面波特性，很可能會(huì)增加其衰減）。對(duì)于TM模型類似的方程也在文獻(xiàn)[37]中提出了。

這種波導(dǎo)可以使其變得簡(jiǎn)潔，使用更少的材料，更低的輻射能耗。如果超表面由聚合物組成，則也可以得到一種柔性的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，再加上合適的超薄膜的話，可以實(shí)現(xiàn)柔性低損耗的波導(dǎo)，在THz頻段有著很大的應(yīng)用潛力。這可以用來(lái)設(shè)計(jì)智能可調(diào)頻率靈活的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。超表面上的復(fù)合波和表面波

有著傳統(tǒng)電介質(zhì)片的超表面在適當(dāng)?shù)臈l件下也能支持表面波的傳輸。然而，與傳統(tǒng)介質(zhì)片不同的是，通過(guò)設(shè)計(jì)超薄膜散射體特性，可以同時(shí)產(chǎn)生向前、后的表面波以及復(fù)合波。實(shí)際上，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)散射體來(lái)使表面被或者復(fù)合波只在指定的頻率出現(xiàn)。在文獻(xiàn)[109]中給出了詳細(xì)的平面波的產(chǎn)生。超表面上線波源的反射系數(shù)的極值是超表面表面特性的函數(shù)。如果這些極值確定，在不同條件下表面?zhèn)鬏敳ǖ膫鬏敵Ａ坑上率浇o出

式中βs在表2中給出，數(shù)據(jù)為電波線源的不同條件，對(duì)于磁波，見(jiàn)文獻(xiàn)[109]。當(dāng)表面磁化率符合其中一個(gè)條件時(shí)，就會(huì)激發(fā)表面波或者復(fù)合波。圖15闡釋了頻率激發(fā)的超表面平面波或者是復(fù)合波。數(shù)據(jù)顯示當(dāng)磁波線源放置在球粒陣列上方時(shí)電場(chǎng)的大小。圖15a展示一種表面波的激發(fā)。圖15b展示復(fù)合波的例子。通過(guò)改變散射體的特性，表面磁化率也隨之改變。由此，從表2中看出，在任何想要的頻率下產(chǎn)生表面波或者復(fù)合波都是理論可行的，同樣也適用于頻率靈活的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

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

可調(diào)表面可能有利于THz頻段的設(shè)備和構(gòu)成。基本上可調(diào)表面是通過(guò)改變電環(huán)境、電流或者元件環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電環(huán)境 改變時(shí)（通常由散射體內(nèi)半導(dǎo)體引起），這就是混合超材料。THz頻段范圍內(nèi)可調(diào)超表面具有舉足輕重的地位。這主要是由于實(shí)際應(yīng)用中缺乏THz技術(shù)。使用在微波和光子波段的器件，比如開(kāi)關(guān)和調(diào)節(jié)器，并不能再THz范圍內(nèi)使用。一個(gè)主要的挑戰(zhàn)在于找到在THz波段可調(diào)并有強(qiáng)的響應(yīng)的天然材料。

眾多的實(shí)例證明THz超材料具有這種優(yōu)勢(shì)。THz超材料有利于更高的調(diào)節(jié)能力、簡(jiǎn)單的工藝、低損耗和動(dòng)態(tài)調(diào)控。第一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)控的實(shí)現(xiàn)是利用近紅外激光通過(guò)調(diào)節(jié)超表面基板的電導(dǎo)率來(lái)調(diào)節(jié)諧振響應(yīng)。模型由銅開(kāi)口環(huán)諧振器和高阻抗砷化鎵基板組成。激光照射之后，砷化鎵帶隙激發(fā)傳導(dǎo)電子，使其具有類金屬性質(zhì)。這就使開(kāi)口環(huán)諧振器的電容帶隙發(fā)生短路，以此調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)諧振功能及改變超表面的宏觀響應(yīng)。這個(gè)觀念可用短載流子壽命的半導(dǎo)體來(lái)展示，它可以實(shí)現(xiàn)極快的調(diào)節(jié)，開(kāi)關(guān)功能可以在20ps實(shí)現(xiàn)。光控很快被電控所取代。這里，通過(guò)分子束外延生長(zhǎng)出的適度參雜的砷化鎵層，其上排布金開(kāi)口環(huán)陣列而形成一個(gè)肖特基結(jié)。超材料陣列被歐姆接觸環(huán)繞，以實(shí)現(xiàn)二次電連接。由于參雜的砷化鎵不足引起諧振，在自然狀態(tài)超表面沒(méi)有諧振。施加偏壓后，開(kāi)口環(huán)在接近砷化鎵帶隙區(qū)域形成增大的耗盡區(qū)。這在開(kāi)口環(huán)區(qū)域形成了一個(gè)絕緣的帶，重置了諧振效應(yīng)，因此改變其宏觀特性。使用這種方法實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅和相位調(diào)制，其中一個(gè)根據(jù)是Kramers-Kronig關(guān)系。盡管開(kāi)口環(huán)諧振器應(yīng)用存在窄帶寬的缺陷，但寬帶的調(diào)制是確實(shí)存在的。這是固態(tài)THz斬波器實(shí)現(xiàn)的起源，其可調(diào)制頻率達(dá)到30kHz，通常THz束受限于1kHz。這實(shí)例形象的闡釋了在室溫下調(diào)制THz波的改進(jìn)。

別的許多THz調(diào)節(jié)器也通過(guò)可調(diào)諧超材料實(shí)現(xiàn)了。這包括頻率可調(diào)超表面，其中諧振頻率可在近紅外波段調(diào)諧。圖16所示為開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)里植入了硅元。其自然狀態(tài)下，硅是絕緣的，因此對(duì)于整個(gè)開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)其所增加的電容只有很小的數(shù)值。加入激勵(lì)光，半導(dǎo)體顯示器類金屬性質(zhì)，開(kāi)口環(huán)電容增加，由此導(dǎo)致諧振頻率降低。其中的創(chuàng)新點(diǎn)是，與以前的調(diào)諧不同，這種不需要損壞開(kāi)口環(huán)。這既證明了可動(dòng)力調(diào)諧諧振器，也使一種新的頻率調(diào)諧結(jié)構(gòu)成為了可能，這種結(jié)構(gòu)可以使寬帶THz入射波調(diào)制成1/2的頻率窄帶輸出。

可調(diào)THz超表面仍在新應(yīng)用以及新結(jié)構(gòu)上發(fā)展。調(diào)幅也被用在更精細(xì)的應(yīng)用上如空間光調(diào)制和量子激光調(diào)制。可調(diào)超材料也可以用另外的方法來(lái)得到，比如MEMS，其中開(kāi)口環(huán)制作在懸臂上使開(kāi)口環(huán)可以通過(guò)溫度的改變來(lái)調(diào)節(jié)共振頻率。別的溫度調(diào)節(jié)方法也在研究。有一種是通過(guò)溫度改變半導(dǎo)體載流子濃度，然后可以在THz范圍來(lái)改變其電容率。制作在一個(gè)基板上的超表面可以作為一個(gè)溫度調(diào)控功能的應(yīng)用。其他的方法中，二氧化釩也可以作為其基板。隨著溫度的變化，二氧化釩由金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變，特別是其電介質(zhì)特性的變化，由此也引起宏觀超材料共振的變化。有一種有趣的記憶超材料也由這種概念得以發(fā)展。這里，二氧化釩的磁滯特性使電介質(zhì)特性溫度可調(diào)成為現(xiàn)實(shí)。制作在這種基板上面的THz超表面可以得到持久的共振頻率，可以制作成電磁響應(yīng)記憶材料。

近來(lái)的研究，HTz超表面通過(guò)改變諧振器的環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)是通過(guò)在超表面的表面鍍電介質(zhì)層。這種想法可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)遙感技術(shù)，因?yàn)槌砻嬷C振器鍍電介質(zhì)環(huán)境的改變非常敏感，特別是對(duì)于開(kāi)口環(huán)帶隙處來(lái)說(shuō)。這種觀念擴(kuò)展到了微波頻率，流體也使用在了可調(diào)表面、生物分子感測(cè)和微波輔助化學(xué)方面。這將會(huì)在后面詳細(xì)的談到。可見(jiàn)光超表面

提到這部分，我們僅僅談?wù)摰匠砻嬖谏漕l、微波和THz的應(yīng)用。很少有應(yīng)用在可見(jiàn)光波段的超表面。在最近幾年，相對(duì)于射頻和微波頻率，可見(jiàn)光波段的超材料研究具有更大的魅力。在可見(jiàn)光頻率對(duì)材料實(shí)現(xiàn)自由的電磁控制使其可以解釋新的現(xiàn)象包括optical magnetism，負(fù)折射和超透鏡。在可見(jiàn)光頻率，由金和銀的納米結(jié)構(gòu)激發(fā)的等離子諧振器提供了同時(shí)控制超材料的電矩和磁矩的方法。這種結(jié)構(gòu)包括等離子納米結(jié)構(gòu)、球粒、有縫金屬薄膜、金屬漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)和雙層或者單層開(kāi)口環(huán)諧振器。由于其在可見(jiàn)光頻率的所具有的高吸收特性和等離子材料，可見(jiàn)光超材料與實(shí)際應(yīng)用緊密的連接在一起。同樣的，克服等離子體損耗也被列上日程。這種結(jié)構(gòu)在新的特性和器件方面展示出很強(qiáng)的活力，如可見(jiàn)光調(diào)制頻率選擇表面和受激輻射所產(chǎn)生表面等離子體的應(yīng)用。另一可見(jiàn)光超材料、表面的研究是納米傳輸線。

受限于制作規(guī)模，可見(jiàn)光超材料常常會(huì)單層二維散射體陣列，也就是超表面。很多發(fā)表出來(lái)的關(guān)于可見(jiàn)光超材料的東西也就是期望的可見(jiàn)光超表面。如上述，應(yīng)用體超材料須謹(jǐn)慎，廣義等效面條件為可大范圍的應(yīng)用在可見(jiàn)光方面的二維散射體陣列提供了獨(dú)特的描述。由此，這也是一種描述超表面的更為合適的方法，而不是使用那些適合描述體材料的方法。

盡管大部分所謂的可見(jiàn)光超材料就是超表面，我們也要提及最近的實(shí)現(xiàn)真正3D可見(jiàn)光超材料的研究，其中體特性如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和折射率可以合適的并且唯一的確定。創(chuàng)新的制作技術(shù)如壓條發(fā)及堆垛法可以實(shí)現(xiàn)散射體的空間陣列。例如，有負(fù)折射率材料所制成的棱鏡已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光的負(fù)折射現(xiàn)象。用于可調(diào)表面、輔助化學(xué)及生物分子傳感器的微流體

超材料和超表面有一個(gè)缺陷，就是在期望的頻率范圍可使用的頻帶很窄。然而，這種缺陷在某種應(yīng)用上也可以變成優(yōu)勢(shì)。有三種這樣的應(yīng)用如流體調(diào)諧表面、微波輔助化學(xué)和生物分子傳感器。

9.1 流體調(diào)諧表面

超材料和超表面的高共振特性為這種結(jié)構(gòu)提供了可調(diào)諧頻率響應(yīng)。擾動(dòng)超表面的電或磁響應(yīng)可以實(shí)時(shí)的實(shí)施，由此可以改變材料的有效響應(yīng)。在第2部分中提到可以通過(guò)改變磁偏場(chǎng)來(lái)改變球粒超表面的磁電介質(zhì)的極化，在第7部分也提到了在THz頻段的應(yīng)用。然而，許多超材料和超表面電磁特性從屬于其金屬的幾何結(jié)構(gòu)。除了其幾何尺寸以外，這種金屬的極化率也受等離子諧振引起的電容或者感應(yīng)特性的影響。電連接諧振器提供了一種直接控制電容響應(yīng)的方法，通過(guò)電帶隙中材料的電特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種實(shí)現(xiàn)這種控制的方法是使用不同的液體來(lái)填充縫隙。

圖17所示為一種電場(chǎng)耦合諧振器，所使用是流體調(diào)諧表面來(lái)使其運(yùn)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.如果單元結(jié)構(gòu)具有合適的導(dǎo)向，則這種單元結(jié)構(gòu)很容易受入射波電場(chǎng)的激發(fā)。

制作在超表面上的單元結(jié)構(gòu)具有以下誘人的特性：a 基于平面工藝，并由微波電路、聚乙烯和微流體管道組成，b 通過(guò)流體管道可以同時(shí)控制電容性縫隙，由此可以允許多種單元結(jié)構(gòu)公用流體管道，c 可以使流體管道直接與單元結(jié)構(gòu)的電容性縫隙接觸，這就有利于縫隙中激發(fā)的電場(chǎng)與流體管道的耦合。

圖18所示為一個(gè)3*6的方向陣列組成的流體調(diào)諧超表面。單元結(jié)構(gòu)的周期是11mm。圖19所示為通過(guò)72 x 34mm S波段的波導(dǎo)激勵(lì)下的仿真響應(yīng)。這個(gè)仿真是使用Ansoft HFSS實(shí)現(xiàn)的。

這種3x6陣列通過(guò)Duroid 6002 高頻壓制成0.017mm厚的銅板覆在0.508mm厚的基板上，可以用來(lái)研究流體調(diào)諧。流體管道由聚合物制成。聚合物管道通過(guò)氰基丙烯酸鹽粘合劑粘貼在超表面上。圖20a展示了一種有聚合物管道并穿過(guò)縫隙的超表面。圖20b展示了由金、玻璃和聚乙烯管道構(gòu)成的另一種結(jié)構(gòu)。

這個(gè)超表面陣列由填充了2/3波導(dǎo)區(qū)域的聚苯乙烯泡沫支撐，被用作超表面的把手可以方便其移動(dòng)，可以更快的填充流體管道。之后波導(dǎo)的輸入和輸出就連接到矢網(wǎng)分析儀上來(lái)校準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)之后，我們測(cè)量了在波導(dǎo)2.6GHz到3.95GHz散射體的參數(shù)。這種方法對(duì)反射系數(shù)測(cè)得的不確定度是?|S11|?0.02。

管道中有沒(méi)有流體的測(cè)量可以用來(lái)定義傳輸共振。有著相對(duì)介電常數(shù)為81的去離子水被用來(lái)測(cè)超材料調(diào)節(jié)頻率的能力，在S波段其具有易操作、低揮發(fā)、高介電常數(shù)和低損耗。流體管道使用注射器填充。圖21是實(shí)驗(yàn)中波導(dǎo)下的超表面。

圖22為其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果證明其在150MHz的調(diào)諧能力。具有代表性的是，在有和沒(méi)有流體填充時(shí)其反射發(fā)生了明顯的滑移，從3.75GHz到3.6GHz。對(duì)于圖19的仿真結(jié)果與圖中沒(méi)有填充水時(shí)結(jié)果的不一致估計(jì)來(lái)源于工藝錯(cuò)誤。另外，附加的噪聲擾動(dòng)也來(lái)源于工藝的不均性及周期誤差，還有來(lái)源于管道與超表面粘結(jié)出產(chǎn)生的干擾。將來(lái)，工藝方面的進(jìn)展將會(huì)減小這種誤差。

此外，除了這種流體調(diào)諧作用，通過(guò)改變管道中流體而改變共振特性也是一種新的方法。這種方法以及應(yīng)用在了制造業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥和化學(xué)工程。超材料或超表面在感測(cè)和影響的應(yīng)用將會(huì)在后面做更細(xì)的論述。

9.2 微波輔助化學(xué)

處在諧振狀態(tài)的超薄膜可以在單元結(jié)構(gòu)里存儲(chǔ)電磁能。這種特性可以用來(lái)增加電磁場(chǎng)與流體管道中流體之間的相互作用。現(xiàn)在有很多研究將微波能量來(lái)催化化學(xué)或者生物反應(yīng)，其中有許多是得益于超薄膜來(lái)增加電磁場(chǎng)與流體的相互作用。這里所說(shuō)的超薄膜方法對(duì)于反應(yīng)來(lái)說(shuō)非常重要，這種方法是通過(guò)控制反應(yīng)物的流動(dòng)來(lái)控制其化學(xué)反應(yīng)，流體中的能量可以通過(guò)調(diào)節(jié)電磁波的頻率和能量來(lái)控制。由于超薄膜陣列的諧振頻率可以通過(guò)單元結(jié)構(gòu)的形狀和排列來(lái)調(diào)控，有不同諧振頻率的不同超薄膜可以通過(guò)單一波導(dǎo)的不同頻率來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)。上面所說(shuō)的超表面結(jié)構(gòu)可以證明流體調(diào)諧性，也被研究用于集中波導(dǎo)的電磁場(chǎng)。

S頻段波導(dǎo)產(chǎn)生激勵(lì)時(shí)在波導(dǎo)中對(duì)電磁場(chǎng)強(qiáng)度做了仿真。每輸入1W3.29GHz波源，其中所計(jì)算的最大場(chǎng)強(qiáng)是800V/m。將超表面放入同一個(gè)波導(dǎo)中心，最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到125000.這就加強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)至少有兩個(gè)量級(jí)，對(duì)于吸收增強(qiáng)了至少四個(gè)量級(jí)。圖23展示了處于單元結(jié)構(gòu)中心的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

圖23所示電場(chǎng)結(jié)構(gòu)證明了超材料結(jié)構(gòu)在精確傳輸電磁能量方面的能力。上面所說(shuō)的流體調(diào)諧超材料明確的證明了流體管道與組成超表面單元結(jié)構(gòu)縫隙的相互作用。由此可以想象得到這種覆有流體網(wǎng)絡(luò)的超表面通過(guò)流體管道可以用于精確傳輸微波場(chǎng)，這可以用于輔助化學(xué)反應(yīng)。

9.3 生物傳感器應(yīng)用

上面所說(shuō)的流體調(diào)諧超材料可以擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)高的諧振頻率以及小片結(jié)構(gòu)的傳感應(yīng)用。單一單元結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一種環(huán)形或者網(wǎng)格超材料，這可以制作小巧傳感器以用于醫(yī)藥應(yīng)用，在液體中計(jì)算細(xì)胞數(shù)或者監(jiān)測(cè)反應(yīng)。圖24就是這樣的一種例子。兩個(gè)開(kāi)口環(huán)連接在一起成一種共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。單元結(jié)構(gòu)縫隙處連接一個(gè)流體管道，用來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)單元結(jié)構(gòu)電容的影響。通過(guò)改變管道中液體的電磁特性，可以調(diào)諧共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸特性。

圖25是這種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，流體的相對(duì)介電常數(shù)從81變到58.當(dāng)流體改變時(shí)，反射系數(shù)滑移幾十個(gè)MHz。這種通過(guò)使用一種流體管道來(lái)影響諧振特性的能力使小巧傳感器的實(shí)現(xiàn)成為了可能，這種傳感器可以應(yīng)用于生物傳感比如計(jì)算細(xì)胞數(shù)或者流體的細(xì)節(jié)。未來(lái)或許會(huì)實(shí)現(xiàn)這種類型的傳感，定義電容率的微小變化以及使用儀器計(jì)算微粒。同樣，別的類型的小巧傳感器也將會(huì)繼續(xù)研究，這將對(duì)綜合的傳感器件發(fā)展有莫大好處。現(xiàn)行的研究主要在將這種概念應(yīng)用在流體中測(cè)定和計(jì)算微粒，如白細(xì)胞數(shù)。

結(jié)論

超表面是3D超材料的另一種補(bǔ)充。由于二維超表面的特性可以使其占用更少的物理空間因此可以有更小的損耗。我們指出有效特性模型可以適合于三維超材料，同時(shí)對(duì)于超表面和超薄膜來(lái)說(shuō)，有效表面電、磁極化率會(huì)有更合適的效果，其中這些表面電、磁特性與組成超表面的散射體密切相關(guān)。在這篇文章中我們討論了從微波到可見(jiàn)光波段超表面的不同應(yīng)用。所談及的應(yīng)用只是現(xiàn)實(shí)的小小的小部分。同時(shí)提出了一些超材料可以使用的新的方面，并為超表面在新領(lǐng)域的應(yīng)用打開(kāi)了希望的大門。這里提及的分析工具使我們可以在新的應(yīng)用中對(duì)建模、分析和生產(chǎn)有了可用之法。

那么什么是一維超材料呢？二維超表面的概念可以延伸到一維，僅僅使用線性單元而不是方形或者其他形狀，也就是說(shuō)僅僅使用一種單一的亞波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的效果。實(shí)際上，這種概念已經(jīng)有了一些新的應(yīng)用。具有代表性的應(yīng)用是一種使用單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電力小巧天線。在這個(gè)天線應(yīng)用中，單元結(jié)構(gòu)充當(dāng)天線的輻射元件的一個(gè)寄生元件，可以用來(lái)將電力小巧輻射單元與傳輸線和自由空間。納米微粒同樣用于所謂的調(diào)諧可見(jiàn)光納米天線。另一個(gè)例子是將一維單元結(jié)構(gòu)用作平面?zhèn)鬏斁€的調(diào)諧結(jié)構(gòu)，就像圖24所示的傳感器一樣。另一種新興的應(yīng)用領(lǐng)域是將一種一維納米微粒鏈用作波導(dǎo)來(lái)支持表面波。

然而更多的工作需要繼續(xù)來(lái)加強(qiáng)對(duì)超材料和超表面的理解、分析、設(shè)計(jì)以及制作技術(shù)，我們看到近些年超材料和超表面的發(fā)展帶我們走近了一百多年前Lamb,Schuster,Pocklington所作出的預(yù)言。這些材料發(fā)展永遠(yuǎn)的改變了射頻、微波、可見(jiàn)光和光子在未來(lái)的應(yīng)用。

第三篇：超實(shí)用稱謂翻譯

超實(shí)用稱謂翻譯大全 常用稱謂

校長(zhǎng)（大學(xué)）President eg：president of Beijing University 校長(zhǎng)（中小學(xué)）Principal /Headmaster eg:principal/headmaster of Fudan Middle School 院長(zhǎng)（大學(xué)下屬）Dean eg:dean of the Graduate School 系主任（大學(xué)學(xué)院下屬）Chair/Chairman eg:chair/chairman Department 會(huì)長(zhǎng)／主席（學(xué)／協(xié)會(huì)）President eg:president of the Student Union, Shanghai University

of

the

English 廠長(zhǎng)（企業(yè)）Director eg:director of the Machine Tools Manufacturing Plant 院長(zhǎng)（醫(yī)院）President eg:president of Huashan Hospital 主任（中心）Director eg:director of the Business Center 主任（行政）Director eg:director of Foreign Affairs Office 董事長(zhǎng)（企業(yè)）President／Chairman eg:president/chairman of the Board of Directors 董事長(zhǎng)（學(xué)校）President／Chairman eg:president/chairman of the Board of Trustees “總”字開(kāi)頭怎么翻？ 總書記 general secretary 總工程師 chief engineer 總會(huì)計(jì)師 chief accountant 總建筑師 chief architect 總編輯 chief editor;editor-in-chief;managing editor 總出納 chief cashier;general cashier 總裁判 chief referee 總經(jīng)理 general manager;managing director;executive head 總代理 general agent 總教練 head coach 總導(dǎo)演 head director 總干事 secretary-general;commissioner 總指揮 commander-in-chief;generalissimo 總領(lǐng)事 consul-general 總監(jiān) chief inspector;inspector-general；chief impresario 總廚 head cook;chef

“副”又怎么翻？

副總統(tǒng)（或大學(xué)副校長(zhǎng)等）vice president 副主席（或系副主任等）vice chairman 副總理 vice premier 副部長(zhǎng) vice minister 副省長(zhǎng) vice governor 副市長(zhǎng) vice mayor 副領(lǐng)事 vice consul 副校長(zhǎng)（中小學(xué)）vice principal 副研究員 associate research fellow 副主編 associate managing editor 副編審 associate senior editor 副審判長(zhǎng) associate judge 副研究館員 associate research fellow of...(e.g.library science)副譯審 associate senior translator 副主任醫(yī)師 associate senior doctor 副總經(jīng)理 assistant / deputy general manager;assistant / deputy managing director 大堂副理（賓館）assistant manager 副校長(zhǎng)（中小學(xué)）assistant headmaster 副書記 deputy secretary 副市長(zhǎng) deputy mayor 副院長(zhǎng) deputy dean 在簡(jiǎn)歷中要求寫曾經(jīng)獲得的榮譽(yù)稱號(hào)，但不知道怎么翻譯，下面來(lái)看一些榮譽(yù)稱號(hào)怎么翻譯

榮譽(yù)稱號(hào)(honorary title)學(xué)習(xí)標(biāo)兵 student pacemaker;model student 勞動(dòng)模范 model worker 模范教師 model teacher 優(yōu)秀教師 excellent teacher 優(yōu)秀員工 outstanding employee;employee of the month / year 青年標(biāo)兵 model youth / youth pacemaker 青年突擊手 youth shock worker 三好學(xué)生 “triple-A” outstanding student;outstanding student 三八婦女紅旗手 “March 8th Red Banner” outstanding woman pacemaker

第四篇：治超論文

淺論超限運(yùn)輸檢測(cè)的實(shí)踐與思考

【摘要】道路運(yùn)輸是一個(gè)系統(tǒng)工程，要從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、道路工程和管理上統(tǒng)籌兼顧,要從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、法律法規(guī)、道路工程和管理上統(tǒng)籌兼顧。超載超限運(yùn)輸現(xiàn)象在各干線公路上均非常普遍,據(jù)統(tǒng)計(jì)80%以上的裝載貨車超載,70%以上的中、重型裝載貨車超限,超載超限運(yùn)輸對(duì)道路與橋梁、交通安全以及環(huán)境等產(chǎn)生很大的危害性。要解決好公路車輛超載超限運(yùn)輸問(wèn)題,創(chuàng)造安全、有序的道路交通環(huán)境,必須針對(duì)導(dǎo)致超載超限運(yùn)輸產(chǎn)生的根本原因,進(jìn)行綜合治理。了解公路運(yùn)輸現(xiàn)狀，以及存在的問(wèn)題、原因，說(shuō)明超限運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，依據(jù)提出的問(wèn)題，分析原因，給出解決問(wèn)題的措施。

【關(guān)鍵詞】 道路運(yùn)輸； 超載超限；特殊性； 治理；

眾所周知，公路是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的基礎(chǔ)設(shè)施。但進(jìn)年來(lái)，由于超限超載運(yùn)輸車輛不斷增多，致使道路、橋梁的使用壽命大大縮短。調(diào)查表明，超限車輛損壞路面的程度，在瀝青路面上與汽車軸載重量4次方成正比，在水泥路面上與軸載重量的16次方成正比。車輛嚴(yán)重超限可造成瀝青路面壽命縮短40%，水泥混凝土路面壽命縮短50%。致使設(shè)計(jì)使用年限為20年的高等級(jí)路面三五年內(nèi)就出現(xiàn)大面積損壞，1 需要進(jìn)行大修。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)公路每年因車輛超限造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)300億元以上。可見(jiàn)，治理超限超載運(yùn)輸任務(wù)艱巨，意義重大。

一、超限運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀

（一）治超工作的法規(guī)建設(shè)不健全。從治超工作以來(lái)，上級(jí)主管部門制定了較為完善的治超工作制度，經(jīng)過(guò)各級(jí)的積累和完善，制度建設(shè)相對(duì)完備，但是，我們要清醒地認(rèn)識(shí)到，要建立治超工作的長(zhǎng)效機(jī)制，我們必須加大治超法規(guī)建設(shè)步伐，在目前情況下，我們省地方行政和立法部門，應(yīng)盡快建立一套較為完備的治超工作法規(guī)體系。

（二）治超人員的業(yè)務(wù)能力和執(zhí)法水平有待提升。個(gè)別執(zhí)法人員熱情不夠積極，業(yè)務(wù)能力不夠熟練，有時(shí)對(duì)于司乘人員提出的相關(guān)疑問(wèn)，未能及時(shí)準(zhǔn)確、清晰的給予解答，給治超普法宣傳帶來(lái)了一定的負(fù)面影響。

（三）執(zhí)法人員自身存在的安全威脅依然突出。治超工作開(kāi)展以來(lái)，我省先后有多名治超人員犧牲在治超執(zhí)法崗位上。從治超工作開(kāi)展至今，全國(guó)有多名治超人員，因司機(jī)毆打和沖撞治超檢測(cè)站致傷或致殘。如果這一問(wèn)題得不到很好解決，勢(shì)必影響治超工作向縱深發(fā)展。我站治超工作開(kāi)展以來(lái)，極少數(shù)駕駛員對(duì)治超工作采取不合作的態(tài)度，拒不接受 2 執(zhí)法人員的檢查，甚至出現(xiàn)對(duì)執(zhí)法人員謾罵、圍攻、沖卡等現(xiàn)象，威脅到治超執(zhí)法人員的人身安全。

（四）治超檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。檢測(cè)儀精確度不穩(wěn)定。車主經(jīng)常對(duì)其精確性提出質(zhì)疑，給治超工作帶來(lái)極大的不便，影響了工作效率。

二、超限運(yùn)輸?shù)某梢?/p>

造成超限運(yùn)輸?shù)脑蛑饕幸韵聨讉€(gè)方面：

（一）利益趨勢(shì)，無(wú)視國(guó)家法律

運(yùn)輸企業(yè)為了最大限度的減少運(yùn)輸成本，賺取更多的經(jīng)濟(jì)利益，無(wú)視國(guó)家法律法規(guī)，擅自改裝車輛，增加車廂長(zhǎng)度，增高車廂高度，增加車軸鋼板等措施，增加汽車的裝載量。另外，部分運(yùn)輸業(yè)主競(jìng)相殺價(jià)，多拉快跑，減少車次，通過(guò)增加運(yùn)量來(lái)維護(hù)自身企業(yè)的利益，形成惡性競(jìng)爭(zhēng)，致使道路損壞嚴(yán)重。

（二）政出多門，監(jiān)管不力

由于我國(guó)目前治理超限超載還沒(méi)有形成統(tǒng)一的管理部門，超載的執(zhí)法主體是公安，超限的執(zhí)法主體是交通。管車的不管路，管路的不管車，兩套班子，兩套人馬，在一定程度上影響了管理效率，成為治理超限超載的一大障礙。

三、超限超載治理過(guò)程中存在的問(wèn)題

通過(guò)全國(guó)七部委聯(lián)合開(kāi)展集中治理超限超載，結(jié)合許多省市實(shí)施計(jì)重收費(fèi)，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)手段和行政手段相結(jié)合綜合治理，取得了一定成效。但其治理過(guò)程仍存在一些問(wèn)題：

（一）“治超”費(fèi)用較高

現(xiàn)行的治超模式是依托原有收費(fèi)站和治超站，結(jié)合計(jì)重收費(fèi)、治超檢測(cè)、勸返、卸載、罰款相結(jié)合的模式，這種“治超”模式的費(fèi)用主要體現(xiàn)在以下方面：

設(shè)備費(fèi)用：計(jì)重收費(fèi)的主要功能部件由稱重系統(tǒng)[1]、軸類型識(shí)別器、紅外分車器以及收費(fèi)工控機(jī)四部分組成，收費(fèi)公路為將現(xiàn)有收費(fèi)系統(tǒng)改造為計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)，需要安裝計(jì)重設(shè)備、改造現(xiàn)有收費(fèi)臺(tái)、那么總費(fèi)用包括以上安裝計(jì)重設(shè)備的費(fèi)用、改造現(xiàn)有收費(fèi)臺(tái)的費(fèi)用及與此相關(guān)的其他費(fèi)用支出。

運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用：我國(guó)地域遼闊，不同區(qū)域差異大，計(jì)重及檢測(cè)系統(tǒng)所受的影響也不盡相同。雖然我國(guó)有大批稱重設(shè)備的生產(chǎn)廠家，但設(shè)備的精度，設(shè)備的后續(xù)服務(wù)等都要花費(fèi)一定的運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用。隨著我國(guó)公路里程的不斷延伸，計(jì)重收費(fèi)用及檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量還須進(jìn)一步增加。設(shè)備及運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用也會(huì)增加。

人員費(fèi)用：據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)一治超期間，上路檢查的執(zhí)法人員在2萬(wàn)人左右，執(zhí)法人員的工資、補(bǔ)助等費(fèi)用也是一筆不小的支出。還有許多地方，開(kāi)展源頭治超工作，執(zhí)法人員進(jìn)駐大型貨源企業(yè)及站點(diǎn)，有些貨源大縣點(diǎn)多、面廣、線長(zhǎng)，需要執(zhí)法人員會(huì)更多。

其他費(fèi)用：因體制和利益關(guān)系，現(xiàn)行的治超模式對(duì)跨省長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)耐暾^(guò)程分段檢測(cè)、繳費(fèi)、通行。無(wú)形中增加了運(yùn)輸業(yè)戶在各收費(fèi)站點(diǎn)的停車等候等額外費(fèi)用；部分車流量大的收費(fèi)站點(diǎn)因交通擁堵造成貨運(yùn)汽車滯留的費(fèi)用等。

（二）交通擁堵隱患依然存在

“治超”懲戒的重點(diǎn)是惡意超限超載車輛，對(duì)超限超載部分按正常費(fèi)率多幾倍的征收[2]，同時(shí)必須就地卸載和接受相關(guān)處理；未卸載的車輛禁止繼續(xù)上路行駛。但同時(shí)因卸載和接受相關(guān)處理需要大量的時(shí)間、人員和場(chǎng)地，而道路交通流量有一定的隨機(jī)性，因此可能會(huì)引發(fā)交通擁堵的后果，甚至?xí)?yán)重?fù)矶隆＿@種擁堵主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是高速公路本身的堵車；另一方面是引起道路交通負(fù)荷不均衡性堵車，如2004年10月安徽高速公路實(shí)行計(jì)重收費(fèi)后，很多大型掛車便走還沒(méi)有實(shí)行計(jì)重收費(fèi)的國(guó)道，造成高速公路車流量下降，國(guó)道出入口車流量的增加，引發(fā)國(guó)道出入口堵 5 車。類似現(xiàn)象在全國(guó)其他省市也不同程度存在。

（三）鞏固“治超”成果難度增加

現(xiàn)行的治超模式重心是在路上查、堵，把矛盾的焦點(diǎn)集中在治超站，一旦治超站稍有放松，極易出現(xiàn)反彈，這也是目前治超面臨的難題之一，治超成果難以鞏固。主要體現(xiàn)在：

短期集中聯(lián)合執(zhí)法，九部門合作是可以實(shí)現(xiàn)的，但難以長(zhǎng)期堅(jiān)持。而且這種執(zhí)法必須每天24小時(shí)不間斷，一旦出現(xiàn)盲區(qū)，運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)者就會(huì)找到漏洞，視機(jī)超限超載上路。

治超工作對(duì)一線員工的忍耐性和細(xì)心性也是一種考驗(yàn)，整天面對(duì)形形色色的司乘人員和車輛，工作的全部就是查檢和測(cè)量，技術(shù)含量不高，再加上目前對(duì)人員提升和考核的政策還處于研究狀態(tài)。使工作人員難以看到個(gè)人的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展空間，所以長(zhǎng)期在這一崗位上工作，一線員工難免覺(jué)得乏味和枯燥，對(duì)工作的熱情和積極性難以長(zhǎng)期保持。

四、國(guó)外治理超限超載借鑒

我國(guó)的治超工作可以追溯到上世紀(jì)80年代。1989年，交通部制定了《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》，但由于種種原因，治超工作持續(xù)了一年后就終止。1997年，《中華人民共和國(guó)公路法》頒布實(shí)施，全國(guó)又掀起了一輪治超的高潮。2000年和2001年，交通部和公安部分別進(jìn)行了為期一 6 年的超限超載治理活動(dòng)，雖然都取得了一定成效，但都沒(méi)能徹底解決超限超載的問(wèn)題。

貨運(yùn)車輛超限超載并不是中國(guó)獨(dú)有的現(xiàn)象，縱觀歐美國(guó)家治理運(yùn)輸車輛超限超載的手段，我們可以得到很多有益的啟示。在此以美國(guó)為例，1999年美國(guó)聯(lián)邦公路管理局(FHWA)對(duì)各州超載1814.4 kg違規(guī)車輛罰款的情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，可以將其治超策略可分為四類：第一類是將小額罰款與高密度執(zhí)法檢查策略相結(jié)合，該類執(zhí)法特點(diǎn)是執(zhí)法頻度高，但處罰力度不大，因而執(zhí)法成本較高；第二類是將高密度的執(zhí)法檢查與高額罰款策略相結(jié)合。這類執(zhí)法適用于超載現(xiàn)象比較嚴(yán)重的時(shí)期，一般不會(huì)長(zhǎng)期堅(jiān)持；第三類是將小額罰款與小密度的執(zhí)法檢查策略相結(jié)合，該類執(zhí)法頻度不高，處罰力度也不大，適用于超載現(xiàn)象不很嚴(yán)重的地區(qū)；第四類是將低密度的執(zhí)法檢查與高額罰款策略相結(jié)合，該類執(zhí)法正好和第一類相反，執(zhí)法頻度不高，但處罰力度大，起到殺一儆百的效果。由于執(zhí)法密度不高，駕駛員可能存在僥幸逃脫心理，但一旦被發(fā)現(xiàn)，則施以重罰，這類執(zhí)法人員少、成本低。此統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：加大車輛超載執(zhí)法檢查密度和增加罰款額度對(duì)制止超載行為有類似的效果。

五、主要對(duì)策

針對(duì)上述存在的幾個(gè)方面的問(wèn)題，總結(jié)公路治超的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，我們?cè)谡J(rèn)真思考的基礎(chǔ)上，提出如下對(duì)策：

（一）必須加快治超工作法制化建設(shè)的步伐。目前，治超工作已經(jīng)進(jìn)入了攻堅(jiān)階段，建議我省應(yīng)該立足于公路自我發(fā)展的實(shí)際，從長(zhǎng)效機(jī)制建立的角度出發(fā)，進(jìn)一步建立健全更具有操作性的地方性治超法規(guī)制度，使治超工作有法可依，有法必依，執(zhí)法必嚴(yán)，違法必究。

（二）必須加大治超隊(duì)伍正規(guī)化建設(shè)的力度。要嚴(yán)肅治超隊(duì)伍進(jìn)出的紀(jì)律和進(jìn)入門坎，建議上級(jí)職能部門加大公開(kāi)招聘力度，把一些政治素質(zhì)強(qiáng)、作風(fēng)紀(jì)律嚴(yán)、業(yè)務(wù)素質(zhì)精的大學(xué)生和部隊(duì)轉(zhuǎn)業(yè)復(fù)退軍人吸收進(jìn)來(lái)，促進(jìn)治超隊(duì)伍整體素質(zhì)躍升。

（三）必須加大治超隊(duì)伍業(yè)務(wù)培訓(xùn)的力度。各級(jí)要把治超隊(duì)伍建設(shè)當(dāng)作當(dāng)前及一個(gè)時(shí)期的重中之重來(lái)抓。要充分采取“請(qǐng)進(jìn)來(lái)，派出去”的辦法，依托院校和相關(guān)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，加大資金投入，培養(yǎng)一批真正能打硬仗，敢打硬仗，能打勝仗的治超隊(duì)伍。

（四）標(biāo)本兼治，綜合治理

治理超限運(yùn)輸是一個(gè)系統(tǒng)工程，僅僅依靠交通部門一家很難徹底解決，需要相關(guān)部門共同努力。要堅(jiān)持專項(xiàng)治理與 8 源頭治理相結(jié)合，堅(jiān)持部門聯(lián)手與區(qū)域聯(lián)動(dòng)相結(jié)合，堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)處罰與人性化管理相結(jié)合。交通部門與公安部門要各司其職，嚴(yán)格執(zhí)法，取締非法改裝車的企業(yè)，取消超限車的運(yùn)營(yíng)資格等源頭治理措施，加大治理力度，形成齊抓共管、綜合治理的局面。

（五）加強(qiáng)宣傳

通過(guò)積極宣傳，營(yíng)造良好的輿論氛圍。使運(yùn)輸企業(yè)主及時(shí)了解關(guān)于運(yùn)輸管理的法律、法規(guī)，使廣大的人民群眾增強(qiáng)對(duì)超限超載運(yùn)輸危害性的認(rèn)識(shí)，爭(zhēng)取社會(huì)各界的支持和理解，使治理超限運(yùn)輸深入人心，在全社會(huì)形成治理超限超載運(yùn)輸?shù)牧己梅諊?/p>

近年來(lái)，《中華人民共和國(guó)公路法》、交通部2號(hào)令《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》等公路交通法律法規(guī)相繼頒布實(shí)施，使治超管理工作逐步走上了科學(xué)化、規(guī)范化、法制化的軌道。隨著治超執(zhí)法機(jī)構(gòu)的日益健全，治超執(zhí)法行為的進(jìn)一步規(guī)范以及治超執(zhí)法人員隊(duì)伍素質(zhì)的不斷提高，對(duì)公路的日常管理發(fā)揮了重要作用。

六、超限治理工作的思考

近年來(lái)，公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，公路建設(shè)步伐明顯加快，然而與公路建設(shè)相比，公路治超管理工作相 9 對(duì)滯后，不少地方在認(rèn)識(shí)上對(duì)公路治超管理遠(yuǎn)沒(méi)有像公路建設(shè)那樣重視。還存在著許多問(wèn)題，這些問(wèn)題的發(fā)生和存在，給以后公路的使用和管理帶來(lái)了諸多困難。

為了充分認(rèn)識(shí)治超管理工作的重要性和緊迫性，扎實(shí)有效地開(kāi)展治超管理工作，不斷提高公路治超管理水平。筆者認(rèn)為，應(yīng)從以下六個(gè)方面抓好公路治超管理工作。

一是堅(jiān)持依法行政，規(guī)范執(zhí)法行為，增強(qiáng)文明服務(wù)意識(shí)。首先，各級(jí)治超執(zhí)法人員要認(rèn)真學(xué)習(xí)公路法律、法規(guī)和治超管理業(yè)務(wù)理論，積極參加省、市公路交通部門舉辦的治超執(zhí)法人員培訓(xùn)班，掌握業(yè)務(wù)知識(shí)，增強(qiáng)執(zhí)法素質(zhì)和執(zhí)法能力；其次是治超人員在行使依法治路、保護(hù)路產(chǎn)、維護(hù)路權(quán)職責(zé)過(guò)程中，要自覺(jué)地維護(hù)黨和政府的威信，樹(shù)立公路行業(yè)良好風(fēng)氣作為“形象工程”來(lái)抓；第三是要認(rèn)真按照《交通行政執(zhí)法五個(gè)規(guī)范》的要求，秉公執(zhí)法，熱情服務(wù)；第四是治超人員必須規(guī)范執(zhí)法行為，按照規(guī)定著裝，佩載行政執(zhí)法證件，亮證執(zhí)法，文明執(zhí)法，堅(jiān)持把文明用語(yǔ)和執(zhí)法行為是否規(guī)范，納入治超執(zhí)法人員考核內(nèi)容之中。

二是認(rèn)真宣貫、《公路法》、《規(guī)定》和《辦法》等公路交通法律法規(guī)，為治超管理工作創(chuàng)造良好的外部環(huán)境。新的形勢(shì)、新的要求需要我們加大對(duì)〈公路法〉、〈規(guī)定〉和〈辦 10 法〉的宣貫力度，按照省市交通部門的總體部署，使宣傳活動(dòng)既轟轟烈烈，又扎扎實(shí)實(shí)，把公路法規(guī)宣傳到千家萬(wàn)戶，家喻戶曉，人人皆知。在不斷鞏固宣貫成果的基礎(chǔ)上，把每年三月作為“公路法規(guī)宣傳月”，做到有規(guī)模、有影響、有聲勢(shì)，進(jìn)一步優(yōu)化公路治超管理工作環(huán)境。

三是對(duì)治超管理人員進(jìn)行思想、組織、作風(fēng)、紀(jì)律等方面的整頓。思想整頓，重點(diǎn)解決執(zhí)法意識(shí)和執(zhí)法宗旨的問(wèn)題；組織整頓，主要檢查治超人員是否具備執(zhí)法資格和執(zhí)法主體是否符合法律、法規(guī)要求的要求；紀(jì)律整頓，堅(jiān)持杜絕有法不依、執(zhí)法隨意的現(xiàn)象；作風(fēng)整頓，檢查是否做到“兩公開(kāi)，一監(jiān)督”，制止和杜絕吃拿卡要現(xiàn)象，執(zhí)法行為是否規(guī)范，執(zhí)法態(tài)度是否文明等。要結(jié)合實(shí)施，認(rèn)真搞好自查自糾，對(duì)違反執(zhí)法紀(jì)律，情節(jié)嚴(yán)重，影響極壞的執(zhí)法人員要堅(jiān)決注銷執(zhí)法資格，調(diào)離執(zhí)法崗位。通過(guò)整頓，增強(qiáng)執(zhí)法人員的責(zé)任感和使命感，樹(shù)立依法行政，執(zhí)法公正和有法必依、依法必嚴(yán)、嚴(yán)明執(zhí)法作風(fēng)，建立一支高素質(zhì)的治超執(zhí)法隊(duì)伍。

參考文獻(xiàn)

［1］《中華人民共和國(guó)公路法》 ［2］《公路安全保護(hù)條例》

［3］《超限運(yùn)輸車輛公路行駛管理規(guī)定》

第五篇：宋超論文

我的班主任之“旅”

中國(guó)近代教育家陶行知說(shuō)過(guò)一句話：你要想當(dāng)好先生，先要當(dāng)好學(xué)生；你當(dāng)好學(xué)生了，你就當(dāng)好先生了。當(dāng)好學(xué)生的意思就是說(shuō)要向?qū)W生學(xué)，學(xué)什么？先要了解他，了解他的內(nèi)心，知道他在想什么。我們不知道他在想什么，我們?cè)趺茨芙逃盟兀靠吹竭@句話，我就會(huì)浮想聯(lián)翩。

（一）對(duì)待學(xué)生，該這樣想：

假如，我是孩子；

假如，是我的孩子。”

每每想到這句話，我仍然感動(dòng)，因?yàn)樵捳Z(yǔ)中對(duì)學(xué)生真誠(chéng)的愛(ài)足以讓人震撼！也讓我明白了，一名出色的班主任，不僅要教藝精湛，有敬業(yè)精神，更重要的是要有情感的投入，要懂得人性、人道和人情。

我們當(dāng)中有很多班主任，用自己的愛(ài)心贏得了學(xué)生一輩子的尊重。然而，我實(shí)在說(shuō)不清，自己曾經(jīng)有多少次不經(jīng)意的冷冰冰且略帶嘲諷的話語(yǔ)留給這些陽(yáng)光少年永恒的記憶的將會(huì)是什么，但我知道愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)：“過(guò)了若干年以后，那些教的知識(shí)都忘了，留下的東西才是教育。”在此，希望各位老師和我一起銘記：少一些不必要的沖動(dòng)，多一些真誠(chéng)的愛(ài)心，收獲的將是幸福和快樂(lè)！

（二）“班級(jí)是一個(gè)家，班主任和學(xué)生都是家中的成員。”從這句話中，我們可以讀出了兩個(gè)字：平等。班主任與學(xué)生在認(rèn)知能力、知識(shí)水平上暫時(shí)存在差異，但人格上是平等的。我們有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)：能夠聽(tīng)取學(xué)生意見(jiàn)；不輕易指責(zé)學(xué)生；班級(jí)里充溢著平等、民主的氛圍，平等，還體現(xiàn)在班主任對(duì)班級(jí)事務(wù)和活動(dòng)的參與和熱情投入。“樂(lè)，與學(xué)生同樂(lè)；苦，與學(xué)生同苦！”在春季運(yùn)動(dòng)會(huì)上，當(dāng)看到我們班的4*100米接力獲得冠軍時(shí)，我們師生同雀躍，同吶喊，仿佛我又回到了童年。當(dāng)我們班級(jí)獲得“總分第一“時(shí)，我們揮臂吶喊，擊掌慶賀。嗓子啞了，孩子們送上了”金嗓子喉寶“，苦在嘴里，樂(lè)在心里。當(dāng)我走進(jìn)教室，遇到地上有紙屑、講桌凌亂，如果教室里同學(xué)都在學(xué)習(xí)，那么我自己彎彎腰、動(dòng)動(dòng)手、擦一擦，學(xué)生會(huì)看在眼中，自然會(huì)潛移默化，在無(wú)形中形成一種自我約束力，模仿著為班級(jí)做一些力所能及的事，會(huì)取得事半功倍的效果，切莫亂批評(píng)指責(zé)，然后指手畫腳一番。“喊破嗓子，不如做出樣子”。這真是：“其身正，不令則行；其身不正，雖令不從。”我想，一個(gè)班主任只有從心底愛(ài)班級(jí)這個(gè)家，平等地愛(ài)這個(gè)家中的每一個(gè)成員，學(xué)生才會(huì)真正感受到家的溫馨，這個(gè)班級(jí)才能在和諧中不斷的進(jìn)步。

（三）“難為情，而不難堪，是教育的?度 ?。”

談愛(ài)心，講平等，并非凡事都遷就、順從學(xué)生。前蘇聯(lián)著名作家高爾基說(shuō)過(guò)：愛(ài)孩子，那是連母雞都會(huì)做的事，怎樣教育他們卻是一件大事。所以，我們光有愛(ài)不行，沒(méi)有愛(ài)不行。我們要懂得愛(ài)的科學(xué)，愛(ài)的技巧。“愛(ài)自己的孩子是本能，愛(ài)別人的孩子是神圣。而教師所從事的工作就是一份神圣的工作，因?yàn)槲覀兪窃趷?ài)著別人的孩子。而在神圣當(dāng)中又有高尚之人，什么人配得上是高尚之人呢？他們不僅愛(ài)那些長(zhǎng)得好看的、成績(jī)好的，還愛(ài)那些長(zhǎng)得丑的、成績(jī)差的學(xué)生。這樣的老師，他不僅是神圣，而且是神圣中的高尚之人。可以說(shuō)是上乘之人。”我想這就是所謂的老師中“精品”吧！因此，適度的、讓學(xué)生難為情而不難堪的批評(píng)既有利于學(xué)生的成長(zhǎng)，也有利于班級(jí)的管理。關(guān)于批評(píng)，我有兩點(diǎn)建議：一是不輕易忽視第一個(gè)犯錯(cuò)誤的同學(xué)，二是可嘗試采用“退三進(jìn)一”式批評(píng)方法，即在批評(píng)學(xué)生一個(gè)缺點(diǎn)的時(shí)候，不妨先表?yè)P(yáng)他的三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這樣，批評(píng)會(huì)讓學(xué)生心悅誠(chéng)服。

（四）“對(duì)的，不一定是合適的。” 很顯然，這句話講的是“方法”。

“對(duì)的，不一定是合適的。”有一個(gè)極端的例子：一個(gè)孩子剛出生，有人說(shuō)他將來(lái)做官，也有人說(shuō)他將來(lái)發(fā)財(cái)，家人聽(tīng)了很高興。可是另一個(gè)人說(shuō)了一句真話：他將來(lái)一定會(huì)死的。結(jié)果，可想而知，此人被痛打了一頓。這個(gè)極端的例子給了我們教育者一個(gè)啟示：教育學(xué)生時(shí)，有些真言是對(duì)的，但學(xué)生在感情上不接納你。

我們平時(shí)教育學(xué)生要孝敬父母，可我們的苦口婆心，大呼可憐天下父母心，反復(fù)渲染孝敬老人是中華民族的傳統(tǒng)美德，學(xué)生們可能仍是無(wú)動(dòng)于衷，甚至?xí)÷曕止尽Ｎ矣幸淮卧诎嗉?jí)里也談孝敬父母，卻改變了空洞說(shuō)教的方法，給學(xué)生講了個(gè)故事：一天，一位年邁的老爺爺和他的成年的兒子走在路上，老爺爺看到前方樹(shù)上有鳥(niǎo)，問(wèn)兒子：“樹(shù)上是什么？”兒子說(shuō)：“烏鴉。”過(guò)了一會(huì)兒，老爺爺又看到前方樹(shù)上有鳥(niǎo)。又問(wèn)兒子：“樹(shù)上是什么？”兒子不耐煩的說(shuō)：“烏鴉！”后來(lái)，前方又出現(xiàn)了棲息著鳥(niǎo)兒的樹(shù)，老爺子再次問(wèn)兒子：“樹(shù)上是什么？”兒子急了：“我不是說(shuō)過(guò)了嗎？是烏鴉！真啰嗦！”老爺子不再說(shuō)話了。到了家里以后，老爺子用一雙抖抖索索的手從抽屜里拿出一本已經(jīng)發(fā)黃的日記，兒子翻過(guò)一看，這是自己小時(shí)候父親寫的日記，上面寫著：今天我?guī)е鴥鹤尤ネ妫瑑鹤舆B續(xù)問(wèn)了幾次樹(shù)上的鳥(niǎo)兒是什么？我高興地告訴他“是烏鴉”。兒子長(zhǎng)大了，會(huì)問(wèn)了，我真幸福！看到這里，兒子哭了，抱住年邁的老父親，說(shuō)：“爸，您盡管問(wèn)吧，樹(shù)上的鳥(niǎo)兒是烏鴉！”這個(gè)故事講完，教室里很安靜，學(xué)生的感受可想而知。

“對(duì)的，不一定是合適的。”講究方法，選用適當(dāng)?shù)姆绞教幚韺W(xué)生中的棘手問(wèn)題，也時(shí)會(huì)產(chǎn)生異想不到的效果。

學(xué)生正值青春期，早戀現(xiàn)象并不鮮見(jiàn)。看到有這樣一個(gè)資料：有個(gè)初三男同學(xué)，給本班一名女同學(xué)遞了一張表達(dá)愛(ài)意的紙條，遭到了拒絕。于是，整天趴在桌子上萎靡不振。班主任看穿了他的心思，試著走近他。偶然間，班主任老師在課桌上發(fā)現(xiàn)了他寫的一張字條，上面寫道：

天涯何處無(wú)芳草，何必只在本班找。

本來(lái)人數(shù)就緊張，何況質(zhì)量又不好。

老師一看，還挺押韻的，于是，拿過(guò)一張紙，也寫了一首：

天涯何處無(wú)芳草，何必急著現(xiàn)在找。

本來(lái)學(xué)習(xí)就緊張，何況年齡又很小。

學(xué)生向老師會(huì)意一笑之后，重新振作了起來(lái)。試想，如果我們火冒三丈，立刻將家長(zhǎng)請(qǐng)來(lái)，把孩子狠狠訓(xùn)斥一頓，會(huì)是怎樣的結(jié)局呢？

班主任幾乎每一句話都可能是對(duì)的，但不一定是合適的。各位，遇到偶發(fā)事件一定要三思而后行！

只要我們每一個(gè)老師都有一顆愛(ài)心，這愛(ài)心里有包容、有理解、有更多的責(zé)任，相信一切都會(huì)更加美好！

我期待，老班主任甩掉包袱，多一點(diǎn)創(chuàng)新意識(shí)，少一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)主義；新班主任盡情揮灑自己的青春活力，通過(guò)創(chuàng)造性工作張揚(yáng)個(gè)性、展現(xiàn)自我，在這幅美麗畫卷上寫下重重的一筆