Метаматериалы – сравнительно новый технический термин. Его изобрели, соединив слона и трепетную лань: греческое слово μετά в смысле после или after с одной стороны, и латинский корень materia. Технари стали понимать под новым термином специально созданные вещества, которое не встречается в окружающей нас природе. О них мы коротко расскажем в данном материале.
Виды метаматериалов
Считается, что научная концепция метаматериалов сформулирована в 1950-1960-х годах. Метаматериалы принято подразделять на 3 группы: 1) материалы с особыми механическими, 2) оптическими, 3) электромагнитными свойствами.
В электронике, магнитонике и радиотехнике значение имеют две последних.
Метаматериалы также делятся на:
Проводники. Они перемещают квазичастицы на значительные длины, но с небольшими потерями;
Диэлектрики. Представляют зеркала почти идеального состояния;
Полупроводники. Это элементы, которые могут, к примеру, отражать квазичастицы только некоторой длины волны;
Сверхпроводники. В этих материалах квазичастицы могут перемещаться почти на неограниченные расстояния.
К тому же существуют материалы:
Нерезонансные;
Резонансные.
Отличие резонансных материалов от элементов нерезонансного типа в том, что у них возникает диэлектрическая проницаемость лишь на определенной частоте резонанса.
Метаматериалы могут создаваться с разными электрическими свойствами. Поэтому их делят по их относительной проницаемости:
DNG, то есть double negative — проницаемости отрицательные;
DPS, то есть double positive — проницаемости положительные;
Hi-Z, то есть high impedance surfaces (высокоомные поверхности);
SNG, то есть single negative — материалы смешанного типа
DZR, то есть double zero – материал имеет проницаемость равной нулю
Применение метаматериалов
Метаматериалы используются во всех сферах, где применяется электромагнитное излучение. Это электроника, связь, медицина, промышленность, космические устройства, научное оборудование и другое.
В микроэлектронике могут появиться на порядок более миниатюрные и эффективные устройства и антенны для мобильников, и др.
В радиофизике и астрономии используются специальные покрытия с целью защиты телескопов либо сенсоров, применяющих длинноволновое излучение.
Благодаря применению материалов с измененной структурой уже появляются мощные лазеры, которые при меньшей потребляемой энергии выдают на порядок мощный и разрушительный световой импульс.
В исследовании Рынок метаматериалов — глобальный отраслевой анализ и прогноз (2024–2030) подсчитано, что объем мирового рынка метаматериалов в 2023 году составил $7,77 млрд, и ожидается, что совокупная выручка будет расти в среднем на 36,7% в год в период с 2024 по 2030 год, достигнув почти $69,33 млрд.
Бытовая электроника и автомобилестроение, медицинская, аэрокосмическая и оборонная отрасли — вот некоторые из сфер применения, в которых эти технологии обладают большим потенциалом. Растущее использование беспроводной зарядки электронных гаджетов открывает существенные возможности для рынка метаматериалов. Благодаря разработкам в области радаров и лидаров для беспилотных транспортных средств, телекоммуникационных антенн, сетей 5G, покрытий, вибропоглотителей, шумоподавителей и многого другого, применение метаматериалов в течение следующего десятилетия станет многомиллиардным бизнесом.
В зависимости от продукта рынок метаматериалов сегментирован на электромагнитные, двойные отрицательные метаматериалы, одинарные отрицательные метаматериалы, метаматериалы с электронной запрещённой зоной, би-изотропные и би-анизотропные метаматериалы, частотно-селективные поверхности и другие. В течение прогнозируемого периода сегмент частотно-селективных поверхностей будет расти с самым высоким среднегодовым темпом. Частотно-селективные поверхности (FSS) широко используются в качестве пространственного фильтра при проектировании поглотителей, рефлекторов, дихроичных пластин и отражающих антенн в диапазоне частот от микроволн до миллиметровых волн.
В другом исследовании Мировой рынок метаматериалов и метаповерхностей 2024–2034 представлен подробный обзор различных типов метаматериалов, включая электромагнитные, акустические и оптические метаматериалы, а также их подклассы, такие как метаповерхности, фотонные метаматериалы и настраиваемые метаматериалы. В нем также рассматриваются различные методы производства метаматериалов, такие как литография, 3D-печать и методы самосборки.
Среди многочисленных компаний, работающих в сфере метаматериалов, наблюдатели выделяют Acoustic Metamaterials Group, Echodyne, Evolv Technology, FVMat, Greenerwave, Imagia, Kymeta, Lumotive, Meta Materials Inc, Metalenz, Metawave, Neurophos, Plasmonics Inc и Radi-Cool.
В базе Google.Patents на термин metamaterial числилось в январе 2025 г. 71676 документов. При этом в разделе «Н» (электричество) больше всего патентов было по коду H01Q (антенны) – 13711 ед.
Что касается полупроводниковых устройств (код H01L), то поиск выдал 2478 патента. Динамика по годам представлена на рис. 1.
Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений на тему «метаматериалы в полупроводниковых приборах»
Лидерами патентования являются:
Samsung Electronics Co., Ltd. – 3,2%;
Monolithic 3D Inc. – 2%;
Nanya Technology Corporation – 1,4%;
Intel Corporation – 1,2%.
Как видите, это всё известные компании из США, Тайваня, Японии и Южной Кореи. Примечательно лидерство TSMC и относительное отставание американских корпораций.
Примеры патентов:
US9444002B2 Graphene transistor optical detector based on metamaterial structure and application thereof;
US9748663B2 Metamaterial substrate for circuit design;
US11829072B2 Display device having integrated metamaterial lens.
В базе ФИПС на термин «метаматериал» числится 43 патента РФ на изобретения, из которых по коду H01L всего 2 штуки:
№2579813 Усиливающий сверхпроводящий метаматериал, Национальный исследовательский технологический университет МИСиС (для сверхмалошумящего усиления слабых радиотехнических сигналов; сущность изобретения заключается в том, что усиливающий сверхпроводящий метаматериал состоит из гальванически связанных элементарных ячеек, смещенных постоянным током и проявляющих эффект квантовой интерференции с участием двух или более джозефсоновских контактов, элементарные ячейки образуют в своей совокупности двухмерную равномерно распределенную в пространстве решетку, метаповерхность, а магнитное поле усиливаемого сигнала создается близко расположенной низкодобротной линией передачи, которая распределяет сигнал между всеми ячейками метаматериала . Технический результат: обеспечение возможности увеличить мощность насыщения и расширить частотный диапазон усиления). См. схему ниже:
№2764539 Конструктивный элемент метаматериала из высокоомного кремния для приемных и передающих систем, монтируемый к излучателю антенны, АО «Российские космические системы» (изобретение относится к технике сверхвысоких частот с предпочтительным использованием в области антенной техники. Конструктивный элемент метаматериала, монтируемый к излучателю антенны и состоящий из последовательно расположенных слоев, отличающийся тем, что каждый из упомянутых слоёв представляет собой подложку высокоомного кремния с углублениями на её поверхности, форма и расположение которых выбраны исходя из обеспечения излучения антенны в Ku-, K- и/или Ka-диапазонах частот, при этом подложки высокоомного кремния соединены между собой посредством эвтектического слоя из золота и кремния. Технический результат - уменьшение габаритов антенны космического аппарата при сочетании приемлемых массогабаритных и радиотехнических характеристик антенны, в первую очередь возможности использования антенны в нескольких диапазонах).
Некоторое отношение к полупроводниковой технике имеют следующие патенты на изобретения РФ:
№2792218 Беспроводная зарядная система, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А;
№2488926 Антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала, Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН и АО «Российские космические системы» АО «Российские космические системы»;
№2511070 Устройство визуализации источников терагерцового излучения, ООО «Тидекс» (содержит конвертер ТГц-излучения в инфракрасное излучение, состоящий из слоя искусственно созданного метаматериала с резонансным поглощением ТГц-излучения, нанесенного на твердую подложку из сапфира, расположенный между входным ТГц-объективом и объективом ИК-камеры, расположенной со стороны подложки;
№2788342 Устройство для формирования фотонного крюка, Сибирский государственный университет геосистем и технологий (выполненное в форме кубоида из метаматериала).
Поиск патентов РФ по агрегатору «Яндекс. Патент» показал 267 документов, выданных за период с 2005 по 2024 гг., но по полупроводниковым приборам всего 16 ед. (большее число по сравнению с базой ФИПС обусловлено тем, что поисковая машина Яндекса захватывает и тело патента с прототипами, примерами и списком использованной литературы). Динамика по годам представлена на рис. 2; она указывает на единичную патентную активность начиная с 2011 года.
Рисунок 2: Динамика выдачи патентов РФ по метаматериалам в полупроводниковых приборах
Патентов РФ на полезные модели 4 ед:
№153274 Конструкция гиперболического метаматериала для оптического спектрального диапазона, Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси + Научно-технический центр им. Короля Абдулазиза (Саудовская Аравия);
№161214 Компактное устройство для генерации одиночных фотонов, ООО «Фотонные Нано-Мета Технологии»;
№175868 Солнечный элемент с композитным PMMA+Ag просветляющим покрытием, Ульяновский государственный университет (суть: просветляющее покрытие из метаматериала PMMA+Ag слабо зависит от длины волны в интервале от 400 до 1200 нм);
№182626 Устройство резонансного фотонного кристалла для управления распространением электромагнитного излучения, Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.
НИОКТР в России
ГИС «Наука и инновации» выдаёт 494 документа по запросу на «метаматериал». По теме «метаматериал полупроводниковые приборы» ноль документов, по теме «метаматериал электроника» одно сообщение о НИР «Исследование физических свойств новых 2D и 3D наноструктур и материалов для практических применений», выполненной в 2016-2019 гг. в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН за грант 53 млн руб. от Минобрнаука РФ.
Заключение
Изобретений метаматериалов в электронике и для полупроводников в России очень мало. При этом очевидна заинтересованность крупных зарубежных корпораций в исследованиях и патентах на данную тему. Остается надеяться на совместные исследования и лицензирование патентов из дружественных стран.