近日，清華大學(xué)周濟教授團隊在國際材料領(lǐng)域頂刊《Advanced Materials》上發(fā)表研究文章。該工作成功研制出一種基于Desymmetrized（降低對稱性）設(shè)計的單一陶瓷超材料，能夠在面外實現(xiàn)極化不敏感的電磁波近完美吸收，而在面內(nèi)可得到對不同極化電磁波的方向性偵測，為發(fā)展新一代耐高溫、高可靠的電磁功能頻率器件提供了全新的解決方案。

當(dāng)前，實現(xiàn)高性能電磁波調(diào)控通常依賴于復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料的協(xié)同作用，這些結(jié)構(gòu)在高溫等極端環(huán)境下易因材料間熱失配而失效；同時，超材料想要獲得極致的性能，參數(shù)化引起的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度上升又是不可避免的。

本研究另辟蹊徑，提出了極簡的設(shè)計理念：僅通過對單一陶瓷塊體引入簡單的“盲孔”結(jié)構(gòu)，即可降低其結(jié)構(gòu)對稱性，消除反演對稱中心（在晶體結(jié)構(gòu)中只能是單斜或是三斜晶系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)），從而基于廣義Kerker效應(yīng)與連續(xù)域束縛態(tài)（Bound States in the Continuum，BIC）理論，結(jié)合陶瓷材料的電磁性能參數(shù)實現(xiàn)該“奇異點”。此時，奇偶模共存，電、磁多極子發(fā)生干涉，形成近橫向散射特性，使得電磁波既無法穿透也無法被反射，其能量通過以上臨界耦合設(shè)計被限制在材料內(nèi)部，從而實現(xiàn)近完美吸收。而面外引入的各向異性又使得該奇異模態(tài)可對入射電磁波的極化方向響應(yīng)，從而獲得近場的電磁波探測性質(zhì)。

該設(shè)計的顯著優(yōu)勢在于其材料與結(jié)構(gòu)的一體化。器件由單一陶瓷構(gòu)成，無需襯底支撐，其耐受溫度理論上可達(dá)陶瓷材料本身的熔點，表現(xiàn)出卓越的熱穩(wěn)定性。同時，該超材料厚度僅為工作波長的約1/9，具備超薄、自支撐的特性，為在苛刻環(huán)境（如航空航天發(fā)動機周邊、高溫傳感系統(tǒng)）中實現(xiàn)小型化、高可靠的電磁調(diào)控與探測功能開辟了新路徑。

從宏觀角度，這項工作的意義在于它提供了一種“通過結(jié)構(gòu)設(shè)計賦予基礎(chǔ)材料新功能”的新范式，體現(xiàn)了“常規(guī)材料與超材料融合”的核心思想。除本研究的示例之外，多極干涉中面外反演對稱中心的缺失獨立于面內(nèi)對稱性，從而在三維尺度上提供了幾乎無限的對稱設(shè)計可能性，使得功能器件中電磁波響應(yīng)調(diào)控的自由度顯著提升。這種準(zhǔn)-BIC與廣義Kerker效應(yīng)的有效級聯(lián)可進一步拓展其在功率分配和偏振復(fù)用中的應(yīng)用。此外，除全陶瓷結(jié)構(gòu)外，這種超材料概念為開發(fā)結(jié)合不同功能材料的“Janus”結(jié)構(gòu)開辟了道路，對非互易器件、莫爾超晶格及相關(guān)先進光子系統(tǒng)具有重要意義，有望推動未來電子與光子器件在極端環(huán)境下的技術(shù)發(fā)展。

圖1.（A）Desymmetrized超材料的結(jié)構(gòu)與功能示意圖；可靠性驗證：（B）熱沖擊、（C）高溫老化失效等典型極端（高溫）環(huán)境適配性；（D）10 次高溫循環(huán)后的性能；（E）室溫至 900℃的原位吸收測量結(jié)果；（F）熱沖擊及修復(fù)前后的 S11參數(shù)；（G）熱沖擊后的樣品圖像；（H）修復(fù)后的樣品圖像。

圖2.（A）Desymmetrized超材料奇異模合成的物理本質(zhì)；（B）樣品制備流程概述；（C）自由空間 S 參數(shù)測試；不同偏振入射下的近場掃描結(jié)果：（D）X 偏振、（E）Y 偏振、（F）45° 偏振。

圖3.模擬結(jié)果：（A）超材料結(jié)構(gòu)與特征參數(shù)；（B）多極分解結(jié)果；（C）相位變化；（D）考慮奇偶模的遠(yuǎn)場輻射結(jié)果；模擬的（E）S11參數(shù)、（F）S21參數(shù)；（G）計算得到的吸收率；（H）Desymmetrized超材料中奇異模的演化過程。

圖4.準(zhǔn)BIC行為分析：準(zhǔn)BIC品質(zhì)因數(shù)隨（A）結(jié)構(gòu)參數(shù)與（B）材料損耗的變化關(guān)系。

圖5.適用性與拓展：（A）相同超材料幾何結(jié)構(gòu)下，陶瓷介電性能、吸收率與吸收頻率之間的關(guān)系模擬結(jié)果；（B）盲孔中加載不同介電常數(shù)的介質(zhì)后，S11參數(shù)的變化及可能的拓展功能。

通訊作者：周濟，清華大學(xué)材料學(xué)院教授，中國工程院院士

共同第一作者/通訊作者：羅偉嘉，清華大學(xué)新型陶瓷材料全國重點實驗室副研究員

共同第一作者：趙潤妮，清華大學(xué)材料學(xué)院博士生

論文信息：

W. Luo, R. Zhao, Y. Liu, et al. Desymmetrized Metamaterials Enable Perfect Absorption.Advanced Materials, (2026): e22888.

https://doi.org/10.1002/adma.202522888