清華大學周濟教授團隊AM：Desymmetrized超材料誘導完美吸收

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

當前，實現高性能電磁波調控通常依賴于復雜的多層結構或復合材料的協同作用，這些結構在高溫等極端環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，參數化引起的結構復雜度上升又是不可避免的。

本研究另辟蹊徑，提出了極簡的設計理念：僅通過對單一陶瓷塊體引入簡單的“盲孔”結構，即可降低其結構對稱性，消除反演對稱中心（在晶體結構中只能是單斜或是三斜晶系結構實現），從而基于廣義Kerker效應與連續域束縛態（Bound States in the Continuum，BIC）理論，結合陶瓷材料的電磁性能參數實現該“奇異點”。此時，奇偶模共存，電、磁多極子發生干涉，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計被限制在材料內部，從而實現近完美吸收。而面外引入的各向異性又使得該奇異模態可對入射電磁波的極化方向響應，從而獲得近場的電磁波探測性質。

該設計的顯著優勢在于其材料與結構的一體化。器件由單一陶瓷構成，無需襯底支撐，其耐受溫度理論上可達陶瓷材料本身的熔點，表現出卓越的熱穩定性。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，為在苛刻環境（如航空航天發動機周邊、高溫傳感系統）中實現小型化、高可靠的電磁調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“通過結構設計賦予基礎材料新功能”的新范式，體現了“常規材料與超材料融合”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對稱性，從而在三維尺度上提供了幾乎無限的對稱設計可能性，使得功能器件中電磁波響應調控的自由度顯著提升。這種準-BIC與廣義Kerker效應的有效級聯可進一步拓展其在功率分配和偏振復用中的應用。此外，除全陶瓷結構外，這種超材料概念為開發結合不同功能材料的“Janus”結構開辟了道路，對非互易器件、莫爾超晶格及相關先進光子系統具有重要意義，有望推動未來電子與光子器件在極端環境下的技術發展。

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

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

圖3.模擬結果：（A）超材料結構與特征參數；（B）多極分解結果；（C）相位變化；（D）考慮奇偶模的遠場輻射結果；模擬的（E）S11參數、（F）S21參數；（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BIC行為分析：準BIC品質因數隨（A）結構參數與（B）材料損耗的變化關系。

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

通訊作者：周濟，清華大學材料學院教授，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，清華大學材料學院博士生

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