Periodic Materials and Interference Lithography for Photonics, Phononics and Mechanics pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Maldovan, Martin/ Thomas, Edwin L., Ph.D.

出品人:

页数:331

译者:

出版时间:2008-12

价格:1736.00元

装帧:

isbn号码:9783527319992

丛书系列:

图书标签:

Periodic Materials
Interference Lithography
Photonics
Phononics
Mechanics
Nanophotonics
Nanomechanics
Materials Science
Lithography
Optical Materials

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具体描述

Written by the department head of materials science and engineering at MIT, this concise and stringent introduction takes readers from the fundamental theory to in-depth knowledge. It sets out with a theoretical scheme for the design of desirable periodic structures, then presents the experimental techniques that allow for fabrication of the periodic structure and exemplary experimental data. Subsequently, theory and numerical data are used to demonstrate how these periodic structures control the photonic, acoustic, and mechanical properties of materials, concluding with examples from these three important fields of applications. The result is must-have knowledge for both beginners and veterans in the field.

好的，这是一本关于超材料、波动物理与先进制造技术的综述性专著的简介，本书聚焦于如何通过精密的结构设计来操控各类波（光、声、机械振动），并结合前沿的制造方法实现这些功能。 --- 变革性结构：超材料、波动调控与前沿制造技术导言：从原子到宏观功能的跨越本书旨在深入探讨当代物理学、材料科学与工程学交叉领域中的一个核心主题：如何通过设计和制造具有周期性或类周期性结构的材料，实现对电磁波、机械波和声波的非凡控制。传统的材料特性由其化学成分决定，但超材料（Metamaterials）的兴起彻底颠覆了这一范式，其宏观物理性质直接来源于其亚波长尺度的精细结构。本书结构清晰，涵盖了从基础理论框架到尖端实验实现的完整链条，重点关注波的传播、调控机制、以及支持这些前沿概念所需的高精度制造技术。我们探讨的“周期性材料”不再局限于晶体结构，而是扩展到人工设计的功能单元阵列，这些阵列能够操纵波的相位、振幅、偏振甚至负有效质量密度。第一部分：波动物理学的基石与周期性调控本部分为后续的深入探讨奠定理论基础，聚焦于波动现象在人工结构中的广义响应。第一章：广义周期结构中的波动方程本章首先回顾经典的麦克斯韦方程组、波动方程和线弹性方程，随后引入平均场理论（Homogenization Theory）和有效介质理论在处理亚波长周期结构时的适用性与局限性。重点分析布洛赫定理（Bloch's Theorem）在描述周期结构中波传播的普适性，并详细阐述光子晶体（Photonic Crystals）和声子晶体（Phononic Crystals）中的能带结构（Band Structure）与光子禁带/声子禁带的形成机理。我们讨论了如何利用几何参数（如孔隙率、晶格常数）来精确设计禁带的位置和带宽。第二章：超构材料的响应机制本章深入剖析超材料的核心概念，即如何通过单元结构（Meta-atom）的几何形状和耦合效应，实现自然材料中不存在的有效参数。 1. 负折射率与电磁响应的突破：详细分析基于LC谐振单元的电磁超材料，特别是电磁诱导透明（EIT）在结构中的实现，以及如何利用螺旋结构实现圆偏振的有效分离。 2. 声学与机械领域的超调控：探讨声子晶体如何通过柔性连接或空气腔结构，实现对低频声波的有效隔声或声聚焦。深入分析质量-弹簧系统在机械波控制中的等效性，引出具备负有效质量或零有效体积模量的结构设计。 3. 拓扑波物理的兴起：本章引入了拓扑绝缘体与拓扑半金属的概念在波物理中的应用，解释了如何通过时间反演对称性保护的边缘态（Edge States）实现无损耗的波的单向传输，这对于提高器件的鲁棒性至关重要。第二部分：先进功能设计的实现与应用前景本部分将理论知识转化为具体的功能性器件设计，并展望这些技术在光、声、力学三大领域中的颠覆性应用。第三章：光子学与等离激元器件的创新本章集中讨论如何利用周期结构实现对光场的精确捕获与操纵，超越了传统光学器件的衍射极限。 1. 超表面（Metasurfaces）的平面化：重点介绍二维超构材料，即超表面。分析利用梯度相位分布实现对入射光波前进行任意调制的原理（如Huygens' Principle的广义形式），并详述其在超薄透镜（Metalenses）、全息成像和无反射涂层中的应用。 2. 等离激元耦合与操控：探讨金属纳米结构中的表面等离激元共振（SPR）与周期性排列的相互作用，如何增强局域电场，用于高灵敏度的生物传感，以及实现基于光子-等离激元波导的片上集成。 3. 非线性光学与频率转换：讨论周期结构如何通过增强有效非线性系数和匹配相位，极大地提高二次谐波产生（SHG）和四波混频（FWM）的效率，为片上光源和量子光源的开发提供新途径。第四章：机械振动与声学控制的工程化本章关注如何利用周期性结构来控制机械振动和声波，这对于结构健康监测、噪声控制及能量收集至关重要。 1. 宽带与可调谐的机械禁带：区分晶格结构（Lattice Structures）与夹层结构（Sandwich Structures）在隔振方面的优势。重点分析分级结构（Hierarchical Structures）和非线性单元（如引入碰撞或摩擦的单元）如何实现宽带、高效率的振动抑制，以及如何实现对禁带的动态调节（如通过电磁铁或热效应）。 2. 声学隐身与负阻抗：深入探讨如何设计声学超材料实现声波的弯曲和隐身。分析零折射率声学结构在导引声波流向的应用，以及如何利用拉梅管（Helmholtz Resonator）阵列实现对特定频率的完美吸收（Perfect Absorption）。 3. 压电与能量收集：介绍将压电材料集成到周期性结构中，实现对环境随机振动的有效捕获和能量转换（Energy Harvesting），分析结构共振与压电耦合效率之间的优化关系。第三部分：高精度制造技术的支撑与挑战实现上述理论和功能器件，依赖于亚微米甚至纳米尺度的精确结构控制。本部分详细梳理了支撑这些研究的前沿制造技术。第五章：电子束与聚焦离子束（E-beam & FIB）的精细加工本章详细阐述了当前最核心的纳米制造工具。 1. 电子束光刻（EBL）的原理与优化：从抗蚀剂选择、剂量控制到双层光刻技术（Bi-layer Resist Technique），系统分析如何实现高分辨率、高深宽比结构的制作。讨论邻近效应的校正方法及其对周期性阵列均匀性的影响。 2. 聚焦离子束（FIB）的双重角色：分析FIB作为刻蚀工具（如离子束铣削）和作为直接写入工具的优势。重点讨论其在三维结构制造中的作用，以及在晶体缺陷修复和样品制备方面的应用。第六章：增材制造与混合集成技术随着对宏观尺度大周期结构（如声学超材料）和复杂三维拓扑结构的需求增加，增材制造（3D Printing）成为关键。 1. 光聚合技术（SLA/DLP）的精度提升：介绍如何通过光固化树脂与高分子材料的结合，实现具有极高柔韧性和机械性能的周期结构。探讨如何通过缩短曝光时间、控制光照均匀性来提高微结构的表面光洁度和几何保真度。 2. 多材料与多尺度集成：讨论如何结合不同制造工艺，实现混合结构。例如，利用EBL制造纳米尺度的金属吸收层，然后通过3D打印制造支撑骨架，以实现对光和声的协同调控。分析原子层沉积（ALD）在超薄功能层沉积中的作用，确保界面质量。总结与展望本书最后一部分对当前研究领域面临的挑战进行总结，包括制造容差对功能的影响、大面积均匀性制备的难题、以及如何将无源的周期结构转化为可重构、自适应的智能系统。我们展望了周期性材料在下一代通信、能源管理和精密传感中的广阔前景。本书适合高等院校的研究生、博士后研究人员，以及从事先进光学、声学、力学和微纳制造领域的工程师和科学家参考阅读。