劉曉瓊（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心， 廣東 廣州 51000）

關(guān)于超材料的專利簡介

劉曉瓊（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心， 廣東 廣州 51000）

超材料由于具備超常物理性質(zhì)而獲得人們越來越多的關(guān)注。本文從超材料的專利申請為入手點(diǎn)，對超材料的超常物理性質(zhì)和應(yīng)用作一簡單介紹。

超材料；超常物理性質(zhì)；專利

0 引言

超材料（metamaterial）是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料；其通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通的超常材料功能。

超材料作為一種材料設(shè)計(jì)理念以及研究前沿，越來越引起人們的關(guān)注［1-4］。迄今發(fā)展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等，超材料性質(zhì)往往不主要決定與構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，而決定于其中的人工結(jié)構(gòu)。

關(guān)于超材料的中國專利申請的目前主要來自于各大高校、研究院及其衍生企業(yè)。經(jīng)檢索，關(guān)于超材料的中國專利申請為2901篇，其中1386篇專利申請的申請人為深圳光啟高等理工研究院和/或深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司團(tuán)隊(duì)；而東南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等高校也申請了為數(shù)不少的專利。在此，以深圳光啟高等理工研究院和/或深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司團(tuán)隊(duì)的專利申請作為著眼點(diǎn)，對超材料作簡要介紹。

1 超材料的超常物理性質(zhì)

超材料由介質(zhì)基材和設(shè)置上基材上的多個(gè)人為結(jié)構(gòu)組成，可以提供各種普通材料具有和不具有的材料特性。單個(gè)人為結(jié)構(gòu)大小一般小于1/10個(gè)波長，其對外加電場和/或磁場具有電響應(yīng)和/或磁響應(yīng)，從而具有表現(xiàn)出等效介電常數(shù)和/或等效磁導(dǎo)率，或者等效折射率和波阻抗。人為的結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率（或等效折射率和波阻抗）由單元幾何尺寸參數(shù)決定，可人為設(shè)計(jì)和控制。

1.1 介電常數(shù)

介電常數(shù)是材料對電場響應(yīng)的一個(gè)參數(shù)，隨著技術(shù)日新月異的發(fā)展，人們對材料的應(yīng)用要求越來越高，在某些場合，所需要的介電常數(shù)值遠(yuǎn)高于自然界已有的材料的介電常數(shù)值，現(xiàn)有的介電常數(shù)較高的絕緣體也不能達(dá)到要求，而人工制造的超材料則可以制造出高的介電常數(shù)的材料。如，專利CN102480009A、CN102544739A、CN102738590A等。

1.2 磁導(dǎo)率

目前，國際社會對磁導(dǎo)率方面已有大量的研究，其中對于正磁導(dǎo)率的研究已經(jīng)趨于成熟，對于負(fù)磁導(dǎo)率超材料的研究是現(xiàn)在國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，負(fù)磁導(dǎo)率具有量子極化作用，可以對入射波產(chǎn)生極化作用，因此作用范圍很大，如在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中的磁共振成像技術(shù)，負(fù)磁導(dǎo)率材料能夠加強(qiáng)電磁波的成像效果，另外負(fù)磁導(dǎo)率材料在透鏡研究方面亦有重要作用。專利CN102480055A、CN102593592、CN102683872等是通過不同的人造微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制備了負(fù)磁導(dǎo)率的超材料。

1.3 折射率

超材料內(nèi)部的折射率分布是超材料表現(xiàn)出超常功能的關(guān)鍵部分，不同的折射率分布對應(yīng)不同的功能。折射率分布越精確，所實(shí)現(xiàn)的功能越好。如：專利CN102480005A設(shè)計(jì)了分段式的折射率變化的超材料；專利CN102544742A通過初始相位法得到能夠控制折射率的超材料。

1.4 波阻抗

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁波輻射對環(huán)境的影響日益增大。在機(jī)場，飛機(jī)航班因電磁波干擾無法起飛而誤點(diǎn)；在醫(yī)院，移動電話常會干擾各種電子診療儀器的正常工作。因此，治理電磁污染，尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料，已成為材料科學(xué)的一大課題。但是，現(xiàn)有的吸波材料有阻抗難以匹配、難以做得很薄的缺陷。而通過設(shè)計(jì)合適的微結(jié)構(gòu)可制備應(yīng)用于特殊場合的吸波超材料，如專利CN102480909A、CN102682858A、CN102770009A等。

2 超材料的應(yīng)用

超材料的應(yīng)用主要集中于天線，而天線的擴(kuò)展應(yīng)用的涉及面較廣，如天線罩、SIM卡、射頻識別系統(tǒng)、濾波器、攝像頭、打印機(jī)等等。另外，超材料也常用于核磁共振成像、諧振腔等領(lǐng)域。

3 結(jié)語

超材料的提出改變了人們對傳統(tǒng)材料的認(rèn)識，其是在不違背基本的物理學(xué)規(guī)律的前提下，通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的材料。超材料為電、磁、光等領(lǐng)域中新材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)帶來新的機(jī)會。

［1］Veselago V G. The electrodynamics of substance simultaneously negative values of ε and μ［J］. Sov Phys Usp， 1968， 10： 509-514.

［2］Pendry J B. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena［J］. IEEE Trans Microw Theory Tech， 1999， 47： 2075-2084.

［3］程小超，付全紅，婁勇，等.超材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)楔形光波導(dǎo)引起的光譜空間分離現(xiàn)象［J］.科學(xué)通報(bào)，2010，55：1626-1631.

［4］趙廷，相建凱，李颯，等.基于雙魚網(wǎng)結(jié)構(gòu)的可見光波段超材料［J］.物理學(xué)報(bào)，2011，60：054211.