超材料在電子領域的潛力

超材料是具有自然界中未發現的特性的工程/人造材料。預計超材料的出現將對各種電子應用產生重大影響。這些不自然的材料可能會產生類似於" MEMS"（微機電系統）技術的影響，並可能帶來變革。

超材料是由包含金屬，塑膠，陶瓷等複合材料的多種元素組裝而成的。超材料的效能並非基於基礎材料的效能。它們基於工程材料的物理結構。超材料依賴於精確的幾何形狀/形狀，大小，方向和排列來獲得其特性，這些特性超出了天然材料的可能範圍。名稱metamaterial源自希臘語meta表示"超越"和拉丁語materia表示"物質"或"物質"。

電氣工程，半導體，電磁學，微波和天線工程，光電子學，經典光學，固態物理學，材料科學和奈米工程是促進超材料發展的學科。

熱管理和超材料

熱超材料可以以確定的方式幫助散熱，避免在高階半導體封裝（例如2.5D和3D器件）中出現熱串擾和區域性熱點。在熱管理中使用超材料的三個示例包括：

隔熱罩可保護區域免受瞬態擴散熱流的影響。

熱集中器將熱通量集中在較小的區域上。

熱逆變器（也稱為熱旋轉器）可更改區域中熱梯度的方向。

熱超材料的例子。a）由乳膠橡膠和有機矽彈性體的同心分層結構製成的隔熱罩。b）由膠乳和彈性體的方位角交替層製成的熱濃縮器。c）由銅和聚氨酯的螺旋排列製成的熱逆變器。圖片：聖母大學）

奈米電子學，3D積體電路（IC）和柔性電子學的出現使熱管理變得越來越困難。例如，在2.5D封裝中，邏輯能力和高頻寬記憶體（HBM）層的數量持續增長。2.5D封裝中的一個關鍵挑戰是熱串擾，因為邏輯晶片和HBM彼此靠近放置，同時需要不同的工作溫度。熱超材料可用於在需要時增強散熱並提供熱遮蔽，從而減少熱串擾。

預計其他超材料薄膜可高度擴充套件至建築物或工業設施的大小，並具有在日光條件下"自冷卻"的能力，而無需用電或耗水。這種被動式冷卻架構旨在反射太陽光，同時透過大氣紅外透明窗將熱量輻射到寒冷的天空。相對於傳統的基於傳導和對流的空氣冷卻系統，基於超材料薄膜的被動冷卻模組有望使冷凝器溫度降低至少13°C，向大氣中淨耗水為零，這至少相當於3％提高效率。

聲學應用

有時稱為聲波晶體或聲子晶體的聲學超材料是經過工程設計以控制，引導和/或操縱聲波或聲子的材料。聲子負責固體中的熱傳導。結果，可以設計聲子晶體來控制熱傳遞。

聲學工程的典型應用包括噪聲控制，醫學超聲以及聲音再現或遮蔽。可以使用聲學超材料控制透過給定介質的聲音方向，以控制聲學折射率。同樣，可以透過控制特定的材料引數（例如體積模量β，密度ρ和手性）來實現聲波控制。可以將聲學超材料設計為傳輸或捕獲和放大特定頻率的聲波。當聲波被捕獲並放大時，它稱為聲諧振器。

銅開口環聲諧振器和電線安裝在玻璃纖維電路板的互鎖板上。開口環諧振器由一個內部正方形和一個外部正方形組成，該內部正方形的一側在一側嵌入一個縫隙。開口環諧振器位於方柵的正面和右側，單根垂直線位於背面和左側。）

聲學超材料的第一個成功工業應用已透過飛機隔音測試。聲學超材料的研究領域涉及地震波反射和與地震有關的振動控制技術，超聲/聲學成像和精確感測。

光子超材料，超級透鏡和鐳射雷達

光子超材料（PM），也稱為光學超材料，與光相互作用，覆蓋太赫茲（THz），紅外（IR）或可見波長。與其他超材料一樣，永磁體採用週期性的蜂窩狀結構，從而使其不同於光子帶隙或光子晶體結構。細胞的規模比原子大，但比輻射波長小得多，約為奈米級。設想的PM應用包括掩蓋和變換光學器件，它們會產生從座標變換得出的空間變化，並且可以引導選定的電磁輻射頻寬。近期的應用包括超級透鏡，先進的全息裝置和鐳射雷達的開發。

已經開發了一種平面超級透鏡（也稱為金屬透鏡），該透鏡在覆蓋從紅色到藍色的範圍內的可見光譜範圍內可以高效工作，並且超出衍射極限。透鏡可以分辨奈米尺度的特徵，這些特徵之間的距離小於光的波長。它使用超薄的微型波導陣列，稱為超穎表面，在光透過時會彎曲。它是由二氧化鈦製成的，這種二氧化鈦是油漆和防曬霜中的常見材料，可形成光滑和高縱橫比（平面）奈米結構的奈米級陣列。與需要精確拋光的常規透鏡不同，該超級透鏡是在單個光刻步驟中生產的。Metalenses當前正在高階全息系統中找到應用。

在玻璃基板上由二氧化鈦奈米鰭片組成的超透鏡的掃描電子顯微鏡顯微照片。

波束控制是從5G電話到鐳射雷達系統等新興應用的重要組成部分。當前，大多數光束轉向系統都是基於機械掃描的，從而導致可靠性，成本和尺寸方面的問題，並且還會限制系統性能。利用液晶超表面技術開發了一種用於鐳射雷達系統的新光束控制技術，與機械掃描系統相比，該系統可實現具有更高的解析度，範圍和幀頻的全固態系統。內部鐳射器對準反射半導體晶片。來自晶片的反射方向是可程式設計的。根據超材料在晶片表面的配置（受軟體控制），反射光束的方向是可程式設計的。它可以指向任何方向和任何順序。

光學超材料表面加液晶，用於汽車鐳射雷達的光束轉向。圖片：Lumotive）

可程式設計超材料

超材料及其二維對應的超表面可以對從微波到可見光的電磁（EM）波提供強大的控制。超材料可以透過開發引入對其亞波長單位晶胞的顯式控制的能力而變得可程式設計。透過軟體控制，可以在單個超材料或超表面中操縱多個EM功能。當前正在進行研究以提供一種使各種超材料自主地適應其環境和/或與其他超材料元件通訊的手段，從而實現用於感測，成像和通訊的新型裝置。一種方法是開發與當今的現場可程式設計門陣列（FPGA）等效的超材料，該陣列驅動可重構超材料的數字化版本。

目標是開發智慧且自適應的超材料。在開發可程式設計超材料時，最困難的挑戰之一是要獲得足夠高的重新整理率，以在處理包括mmWaves和THz波在內的高頻環境時實時實現材料特性的有意義的變化。根據應用的不同，將需要kHz或甚至MHz範圍內的重新整理率。可程式設計超材料的初始應用有望包括無線通訊，醫學成像和全息技術。