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祝世宁：《人工微结构材料的发展方向及趋势》
2026-05-16 18:50:18
作者：祝世宁（中国科学院院士，南京大学物理学院教授）
人工微结构最早是在半导体材料中引入的。上个世纪70年代，科学家用分子束外延将两种不同能带的半导体材料交替生长，得到类似晶格排布的周期结构，由于每一周期包括数百甚至更多的晶格周期，所以被称为半导体超晶格。每种半导体材料具有特定的能带结构，发特定波长的光。而半导体超晶格可以选择不同的半导体材料组合，通过调节周期大小，利用量子限制效应，构建出超晶格新的能带，因而能发出不同波长的光，并且可调，这就是半导体激光器基本原理。
第二种人工微结构材料是周期极化铌酸锂晶体。铌酸锂是铁电晶体，晶体内部存在自发极化各异的区域形成畴。如果通过一定技术使晶体内畴的极化方向呈正负交替定向排列，并且选择畴间隔即周期与晶体中非线性过程中光波的相干长度相当，就可以使铌酸锂晶体非线性效应显著增强。这不同于半导体中由不同能带结构形成量子阱作为基础微结构单元，在非线性光学领域，周期极化的非线性晶体叫作光学超晶格，如周期极化铌酸锂(PPLN)、周期极化KTP(PPKTP)等。需要注意一点，在铌酸锂晶体或其他铁电晶体中是以铁电畴作为微结构单元进行调控的。但光学超晶格不一定非要用铁电晶体来构筑。石英是一种极性晶体，透光范围可至深紫外，但石英晶体中并不存在“畴”。
第三种人工微结构光功能材料是光子晶体。与天然晶体的结构能控制电子运动类似，光子晶体是通过微结构基元及其空间序构的设计，构建出光子带隙，使光能够通过、微弱通过，或者不能通过晶体，就像导体、半导体或者绝缘体一样。光子晶体是利用介质折射率周期性调制来构建，调制周期大小跟光波长的一半或四分之一尺寸相当，所以也常被称为光子带隙材料。声子晶体与此类似，主要用于控制声波的激发与传输。调制的物性可以是材料密度、弹性系数、压电系数等，构建特定的序列结构实现声的反射、折射、透射甚至隐身等。
再后一点出现的人工微结构材料应该是超材料或称超构材料(metamaterials)，这是上世纪末提出的一种新的人工微结构材料体系。它最早被用于微波波段电磁波调控，其中的人工微结构是开口金属环和金属导线组成的电磁共振单元。现在超构材料已被用于光、声、热等不同物理性能的调控，微结构单元也不仅仅用金属构筑，而是根据需要选择。例如用于成像的平面超透镜就是选用氧化钛、氮化镓等高折射率材料，可见光波段超透镜其基础微结构单元的特征尺度在数百纳米。光学超构材料与光子晶体的区别在于设计微结构及空间分布的理论方法不同，前者用的是有效介质理论，后者用的是光子能带理论，因而两种微结构材料应用的场合也各不相同。
目前超构材料已包括光学、声学、热学、电磁、力学等不同类型和功能，当然每类超构材料中微结构基元的构成、功能与序构也各不相同。结合机器学习和人工智能，超构材料中的基础结构单元和空间序构可以按需设计，突破了原来周期结构的限制，这为新材料的研发和突破传统材料的性能瓶颈带来无限机遇。
作者介绍：
祝世宁：功能材料学家，中国科学院院士，南京大学物理学院教授、博士生导师，南京大学学术委员会副主任，美国物理学会会士、美国光学学会会士、中国光学学会会士。担任江苏省物理学会理事长、江苏省科协副主席、教育部科技委材料学部主任、科技部重大研究计划（973）顾问专家，国家纳米科学技术指导协调委员会委员、专家组成员，中国科学院技术学部常委、副主任。1曾担任南京大学物理学系主任、南京大学物理学院院长、江苏省科学技术协会第九届委员会副主席。祝世宁院士长期从事微结构功能材料研究，包括凝聚态物理和非线性光学、光学超晶格 (QPM)及其非线性光学效应、微结构电磁波材料、光子晶体、非线性光子晶体、光子纠缠和量子信息、铁电物理和材料等。先后主持或参加过国家攀登计划、国家重点基础研究“973”、高科技“863”、自然科学基金重点等项目以及科技部重大仪器专项，国家基金委创新群体等多项重点课题；拥有国际、国家发明专利20余项；在Science、Nature系列子刊、美国物理评论快报（PRL）等国际学术刊物上发表论文300余篇。曾获国家“863计划”十五周年先进个人(重要贡献)、香港“求是”杰出青年学者、南京市十大科技之星等荣誉称号。研究成果国家自然科学一等奖1项、三次获中国基础研究年度十大新闻、二次被评为中国高校年度科技十大进展。
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