Полностью диэлектрические метаматериалы с низкими потерями являются быстро развивающимся направлением исследований в области метаматериалов и предлагают дополнительную свободу проектирования электромагнитных устройств. Многие типы технологий изготовления используются для изготовления полностью диэлектрических метаматериалов, чтобы реализовать определенные физические свойства. Ключом к эффективной электромагнитной манипуляции является правильный выбор технологии изготовления, которая позволяет легко соединять полностью диэлектрические метаматериалы со встроенными устройствами. Здесь представлен обзор существующих методов изготовления полностью диэлектрических метаматериалов. На основе составов материалов и требований к точности обсуждаются типичные методы изготовления микроволновых, терагерцовых и оптических полностью диэлектрических метаматериалов. Кроме того, указаны преимущества и недостатки каждого метода изготовления. Этот сравнительный анализ методов изготовления полностью диэлектрических метаматериалов будет полезен для разработки новых полностью диэлектрических метаматериалов с желаемыми физическими свойствами, тем самым расширяя область их применения.
Введение
Метаматериал — это тип искусственного материала, в котором электромагнитные свойства в основном определяются элементарными ячейками с размером элемента, намного меньшим, чем рабочая длина волны. [1–3] Метаматериал обладает многими новыми электромагнитными свойствами, такими как отрицательное преломление, обратный эффект Доплера и обратное черенковское излучение, и имеет много важных потенциальных применений. [4–7] Pendry et al. реализовали отрицательную проницаемость с помощью резонаторов с разъемным кольцом; [8] сегодня большинство современных метаматериалов конструируются с использованием периодических искусственных металлических структур. [9–11] Хотя метаматериалы обладают экзотическими физическими свойствами и имеют широкий спектр потенциальных применений, металлические метаматериалы имеют много нерешенных проблем и / или узких мест, таких как серьезные омические потери и узкая полоса пропускания. контроль, [14,15] поглотители, [16] спектроскопия с усилением сильного поля, [17] и идеальные отражатели, [18,19] на частотах в диапазоне от низких микроволн до оптического диапазона. В основном полностью диэлектрические метаматериалы состоят из полимеров, диэлектриков, ферритов или композиционных материалов. [20–22] Необычные электромагнитные свойства полностью диэлектрических метаматериалов не только проистекают из их искусственной структуры, но также происходят непосредственно из материалов, раскрывая подход к разработке метаматериалов с большей свободой. С момента первоначального предложения полностью диэлектрических метаматериалов были изучены и описаны различные механизмы реализации [24–26]. Наиболее классический механизм основан на так называемой теории резонанса Ми и широко изучался [27–29]. ] В этой стратегии диэлектрические частицы с относительно высокой диэлектрической проницаемостью используются для создания сильного магнитного или электрического резонанса посредством взаимодействия электромагнитных волн. Следовательно, отрицательная проницаемость или диэлектрическая проницаемость может быть вызвана колебанием результирующего магнитного или электрического диполя. Этот механизм прост и универсален и обычно используется для создания полностью диэлектрических метаматериалов с низкими потерями.[30]

Теория ферромагнитного резонанса (ФМР) является еще одним классическим механизмом реализации полностью диэлектрических метаматериалов [31,32] Когда имеет место ферромагнитный резонанс феррита, появляется отрицательная магнитная проницаемость. Многие факторы могут влиять на ФМР магнитных материалов, включая магнитное поле смещения, поле магнитокристаллической анизотропии и поле размагничивания. Следовательно, могут быть получены ферритовые метаматериалы с двухдиапазонными, многозонными или настраиваемыми свойствами, что позволяет решить проблему узкой полосы. Кроме того, такие механизмы, как неопределенная среда или вибрация кристаллической решетки, также использовались для реализации полностью диэлектрических метаматериалов [33,34]. При определении механизма реализации полностью диэлектрического метаматериала необходимо учитывать один решающий фактор: выбор способ изготовления. Более того, для достижения различных характеристик многие типы материалов с определенными электромагнитными свойствами используются для изготовления полностью диэлектрических метаматериалов.[35] Следовательно, исследователи разработали различные методы изготовления полностью диэлектрических метаматериалов, полученных из различных материалов. [36–40] Кроме того, требования к изготовлению полностью диэлектрических метаматериалов, работающих в диапазоне частот от микроволнового до оптического диапазона, сильно различаются. В частности, размер элементарной ячейки метаматериала намного меньше рабочей длины волны, что делает технологию изготовления полностью диэлектрических метаматериалов ключом к их дальнейшему применению. Здесь мы представляем всесторонний обзор различных методов, используемых для производства полностью диэлектрических метаматериалов. Мы рассматриваем существующие технологии изготовления микроволновых, терагерцовых и оптических полностью диэлектрических метаматериалов, соответственно, в соответствии с различными рабочими частотами и требованиями к точности. В этой статье также освещаются некоторые преимущества и недостатки каждой технологии изготовления. Кроме того, в этот обзор включены принципиальные схемы различных методов производства полностью диэлектрических метаматериалов, а также характеристики полностью диэлектрических метаматериалов, которые могут быть получены с использованием каждого метода.
…………………
Резюме и перспективы
Благодаря своим особым свойствам, таким как низкие потери и хорошая совместимость с дополнительными оксидами металлов и полупроводников [151, 152], почти не было сомнений в том, что полностью диэлектрические метаматериалы будут играть жизненно важную роль в следующем поколении терагерцовых и фотонных устройств. Соответствующие методы изготовления могут расширить области применения полностью диэлектрических метаматериалов.[153] Однако до сих пор почти все полностью диэлектрические метаматериалы, о которых сообщалось, оставались на лабораторной стадии. В этом обзоре представлен всесторонний обзор доступных методов изготовления для реализации полностью диэлектрических метаматериалов. Разработанные в настоящее время технологии изготовления позволяют изготавливать различные типы полностью диэлектрических метаматериалов на основе различных материалов. Представлены преимущества и недостатки каждого метода изготовления. Что касается микроволновых полностью диэлектрических метаматериалов, соответствующие методы изготовления являются относительно зрелыми технологиями. Кроме того, 3D-печать является многообещающим методом для микроволновых полностью диэлектрических метаматериалов с лучшими характеристиками. Он экологически чистый и имеет низкую стоимость. Теоретически этим методом можно сформировать любой материал, главное, чтобы был получен соответствующий образец порошка. Для терагерцовых и оптических полностью диэлектрических метаматериалов большинство методов изготовления имеют ряд трудностей и требуют дальнейшего развития и усовершенствования. Следует отметить, что метод наноимпринта является перспективным методом для терагерцовых и оптических полностью диэлектрических метаматериалов (особенно для практических приложений) благодаря его высокой точности, низкой стоимости, хорошей повторяемости и высокой надежности. Изготовление полностью диэлектрических метаматериалов большой площади с низкой стоимостью и высокой точностью является серьезной проблемой, особенно для оптических полностью диэлектрических метаматериалов. В результате использование надлежащего метода изготовления в соответствующем диапазоне частот имеет большое значение. Кроме того, очень желателен экономичный метод, когда эти полностью диэлектрические метаматериалы применяются на практике. Кроме того, существующие методы изготовления полностью диэлектрических метаматериалов с хорошей гибкостью и биологической совместимостью являются многообещающими и нуждаются в дальнейшем развитии. Понимание этой информации упрощает разработку полностью диэлектрических метаматериалов с желаемыми свойствами.