材料的介电常数竟然可以是负值？上海海事大学范润华精准构筑负介材料为电子元器件选材用材提供全新思路

近日，上海海事大学/山东大学范润华研究组制备了介电常数为负值的随机复合超材料，其微结构通过自组装模板技术控制，实现了对射频电磁性能进行精准调控，并从逾渗理论、等离振荡和等效电路等不同角度揭示了负介电常数的产生机理。这种负介材料，作为“具有超材料性能的常规材料”，或者说“利用常规材料技术实现的超材料”，为电子元器件、微波吸收等领域选材用材提供了全新的思路。相关成果以“Targeted Double Negative Properties in Silver/Silica Random Metamaterials by Precise Control of Microstructures”为题发表在《Research》(Research.2019, DOI: 10.1155/2019/1021368)上。

复介电常数是材料的基本物性参数之一，其实部一直被认为正，负介电早先未被注意、近来被视为超材料的典型性质。超材料在性能方面的特点是负的物性参数，在结构方面的特点是相应于物理场特征尺寸的周期性结构。超材料和常规材料的融合已成为重要发展趋势：一方面，将常规材料引入超材料，提升超材料的性质和功能；另一方面，发挥超材料的可设计优势重构常规材料，结合超材料的负物性“超常”性能重新审视常规材料，拓展材料性能空间。受超材料的负物性参数启发，范润华研究组系统研究了常规材料的负介电性质，建立了负介材料这一超材料分支。负介材料可以由导体/绝缘体随机复合的逾渗复合材料实现。负介材料在微波吸收和衰减、新一代电容器、通讯天线和无线电力传输等领域具有重要应用背景。

逾渗复合材料的电磁性能对组分和微结构很敏感，为了精准调控结构和性能，有必要发展新的制备技术，并进一步阐明常规材料负介电机理。

本研究工作开发了自组装模板技术对Ag/SiO₂逾渗复合材料的微结构和电磁性能进行精准调控：单分散SiO₂微球构建复合材料基体，微球间隙形成了尺寸、形状和连通性可控的孔结构，进而在孔结构中填充金属银。如图1所示。

不同银含量和连通状态的复合材料发生Drude型和Lorentz型介电响应，为控制两种介电响应的相对强度，可以对负介电常数的数值和频散特性进行精确的调控，实现对负介材料的性能设计。负介材料本身具有重要应用背景，兼具负磁导率也为超材料领域关注。通过对微结构的精准调控，在负介材料中获得了负磁导率。不同于阵列型超材料“磁等离子体”的磁共振，上述负介材料的磁响应具有弛豫型频散特性，并与f0.5（为电磁场频率）呈线性关系（图2（b））。

导体/绝缘体复合材料的介电性能已有很长的研究历史，为何可以呈现“超常”的负介电性质？对于这类复合材料，导电相含量超过但仍然接近逾渗阈值时，绝缘基体中连通的导电相成为电感（L）功能体，自由电子集体性的射频等离体振荡导致负介电；孤立的导电相则作为电容（C）功能体，并通过LC谐振影响负介电行为。逾渗复合材料为负介性能调控提供了丰富的手段，导电相可以是金属、碳材料等不同类别，可以是颗粒、纤维、片层等不同形貌；绝缘体可以是树脂，也可以是陶瓷。此外，电磁仿真分析可知，此类负介材料频散曲线中的介电近零特性可实现高的屏蔽效能和智能频选窗口等优异的电磁屏蔽性能（图3）。

本项工作通过自组装模板技术制备的负介材料，克服了逾渗复合材料电磁性能对异质微结构的高度敏感性，实现了负介电常数的精准调控。系统揭示了负介电行为的物理机制，对于深刻理解超材料、拓展电介质物理学具有重要的科学意义。同时，该研究团队指出了此类负介材料在电子元器件、微波吸收和衰减等领域的潜在应用，对推动超材料应用具有重要研究价值。

范润华，上海海事大学材料系特聘教授、博士生导师，山东大学材料加工教育部重点实验室博士生导师。在国际上创建了负介材料这一超材料分支，引领十余个国家30多个课题组开展该领域研究。在Adv Mater、Adv Funct Mater、J Mater Chem C、Carbon、Appl Phys Lett等刊物发表负介材料方面论文60余篇，8篇为ESI高被引论文，4篇同时入选ESI热点论文；阶段性研究成果“金属陶瓷材料的微结构调控和超常电磁性质” 获2017年度山东省自然科学二等奖。兼任中国材料研究学会理事、中国复合材料学会理事、中国海洋工程咨询协会理事。作为共同发起人创建了中国材料研究学会超材料分会，并担任副理事长。