南科大《AFM》：實(shí)現(xiàn)對(duì)材料介電常數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控！

近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系講席教授汪宏團(tuán)隊(duì)在微波介質(zhì)材料領(lǐng)域取得研究進(jìn)展，相關(guān)成果以“Graded Dielectric Metamaterial with Designable Permittivity Fabricated by 3D Printing”為題發(fā)表在國際期刊Advanced Functional Materials上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202514533

在電介質(zhì)領(lǐng)域中，介電常數(shù)無疑是最為重要的物理量之一，它表示了材料在電場作用下存儲(chǔ)和傳導(dǎo)電荷的能力，在許多電子器件中都發(fā)揮著重要作用。隨著5G、毫米波通信及雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)材料介電常數(shù)的精確控制需求愈發(fā)迫切。傳統(tǒng)材料介電常數(shù)多依賴于化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，難以靈活調(diào)控。該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有周期性孔洞結(jié)構(gòu)的超材料單元（如華夫格和蜂窩結(jié)構(gòu)），結(jié)合有效介質(zhì)理論建立了介電常數(shù)與結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料介電常數(shù)的預(yù)測與精準(zhǔn)調(diào)控。采用直寫式3D打印技術(shù)制備的多種介電常數(shù)樣品，其實(shí)測值與預(yù)測值高度吻合，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和通用性。

圖1.超材料結(jié)構(gòu)模型及介電常數(shù)仿真與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖2.超材料制備與介電常數(shù)測試

在應(yīng)用層面，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了一款基于梯度介電常數(shù)的介質(zhì)諧振天線，成功實(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)X波段（8–12 GHz）的超寬帶寬和高增益（14.7 dB）。研究表明，梯度介電常數(shù)不僅改善了天線的阻抗匹配，還提高了輻射效率和頻率穩(wěn)定性，為高性能天線、射頻器件和頻率選擇性器件的設(shè)計(jì)提供了新思路。

圖3.基于可設(shè)計(jì)介電常數(shù)的介質(zhì)諧振天線

南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士生李小雨為論文第一作者，西安交通大學(xué)博士生馬登昊為論文共同第一作者，汪宏為論文通訊作者。南方科技大學(xué)為論文第一單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃及廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的支持。

本文來自：南方科技大學(xué)