本课题以近年来兴起的双负材料为研究对象。双负材料是指介电常数与磁导率同时为负的介质。由于电磁波在双负材料中的传播方式与在传统介质中截然不同,电磁波的电场、磁场及波矢方向遵循左手定则,即电磁波中能量传播方向与波矢方向相反,因此双负材料也被称之为“左手材料”。双负材料这种独特的电磁波传播特性可以被广泛的应用于国防、通讯、光学成像等领域。例如,J.B.Pendry基于双负材料中所独有的负折射现象,首次提出了“完美透镜”(Perfect Lens)的概念,“完美透镜”能够克服传统透镜存在的衍射极限,能够极大的提高光学成像设备的分辨率,实现分子甚至更小尺度的光学成像。本课题以在金属/电介质体系实现双负性质为主要研究目标,一方面以金属陶瓷为主要研究对象,探索非阵列型双负材料,利用选择性还原法制备金属陶瓷,并研究其高频电磁性能,通过合理构建模型对其电磁学响应性质进行理论分析及计算,揭示双负机理。同时,针对阵列型双负材料存在的高制备成本问题,探索如何优化阵列型双负材料的制备工艺,降低制备成本,为双负材料的大规模制备提供实验与理论依据。主要研究内容包括金属陶瓷与金属/电介质周期性结构阵列的制备,微观结构表征以及高频电磁性质的调控,通过理论及实验研究建立材料微观结构与高频电磁性质之间的联系,对金属陶瓷与周期性结构阵列中双负性质产生的基本原理进行对比分析,获得金属/电介质体系双负性质的规律。具体包括探明金属陶瓷中金属颗粒的粒径、形貌、体积分数及其在陶瓷基体中的分布和界面状态对电阻率、复介电常数等物理性能的影响,揭示金属陶瓷双负性质的机理,优化材料组分,改进复合材料制备工艺,为获得在某些领域有重要应用价值的微波段双负材料提供依据。同时采用脉冲激光沉积结合掩膜板的方式,制备金属/电介质周期性结构阵列。以周期性阵列在红外频段的光学性质及其调控为主要研究内容,以经典电磁理论为基础建立理论模型,通过研究结构阵列中红外频段电磁波的传播行为,探讨结构单元的物理性质、形状、尺寸以及体积分数等对周期性阵列电磁性质的影响,为有效设计构建周期性结构阵列及其电磁响应特性的调控提供理论与实验依据。本课题通过低温选择性还原及脉冲激光沉积,分别制备了金属-电介质无序二元复合材料及金属-电介质有序二元超构材料,并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、穆斯堡尔谱仪、原子力显微镜、红外傅里叶变化光谱仪等手段,对所得材料的物相组成、微观结构、介电常数与磁导率等性质进行分析表征,研究结果表明,(1)在金属陶瓷的低温还原制备过程中,烧结体中热力学稳定的Fe-Al-0固溶体基本不参与反应,含量变化不大；热力学不稳定的Fe203为主要反应相,被还原为单质Fe及亚稳含铁相,Fe3O4或FeA12O4亚稳含铁相的形成取决于金属陶瓷中的铁铝比。经过还原反应后,金属陶瓷内部形成了由富铁区域与富铝区域组成的微纳双复合结构,富铁区域为Fe/Fe3O4纳米复合结构,富铝区域为FeA12O4/(FexAl1-x)2O3纳米复合结构。(2)通过在非磁性A12O3基体中负载磁性金属颗粒Fe,能够在金属陶瓷中实现负介电常数及负磁导率,该双负性质的获得与金属陶瓷的微观结构有紧密的联系。在较高金属含量的金属陶瓷中,金属组分相互连接形成导电网络结构,电子能够在该网络结构中自由移动,金属陶瓷表现出类金属特性,从而借助自由电子的等离体振荡实现负介电常数；负磁导率则是通过存在于金属陶瓷中的等效LC谐振行为获得。(3)通过在超构材料的制备过程中,利用金属丝网代替膜板,简化了工艺流程,成功利用脉冲激光沉积制备了FeNi/SiC周期性结构阵列,并且.该周期性结构阵列在红外波段具有双负性质。该双负性质在红外光谱中表现为由结构共振所导致的特征吸收峰,该特征吸收峰与入射光中磁场的方向、结构单元的尺寸等因素密切相关。