journal article·2021-05-01Open access

High frequency meta-ferroelectrics by inverse design

Benjamin Vial, Yang Hao

Optical Materials Express· Volume 11· Issue 5

Abstract

Composites with subwavelength features exhibit effective properties that depend on microstructure morphology and materials, which can be adjusted to obtain enhanced characteristics. We detail the systematic design of electromagnetic metamaterials composed of dielectric inclusions in a ferroelectric matrix that, under an applied voltage, present an optimized effective tunability higher than the bulk due to a nonlinear local electric field enhancement. The effect of volume fraction, losses, and biasing field on homogenized properties is investigated and the analysis of the photonic band diagram is carried out, providing the frequency dependence of the anisotropic effective index and tunability. Such metaceramics can be used in microwave antennas and components with higher reconfigurability and reduced power consumption.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Metamaterials and Metasurfaces Applications · Advanced Antenna and Metasurface Technologies · Microwave Engineering and Waveguides

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Queen Mary University of London

Funding

Engineering and Physical Sciences Research Council

References (65)

Show source-provided references
1. Oliveri · Proc. IEEE · 2015 · 103 · 103410.1109/JPROC.2015.2394292 ↗
2. Turpin · Int. J. Antennas Propag. · 2014 · 2014 · 110.1155/2014/429837 ↗
3. Ou · Nano Lett. · 2011 · 11 · 214210.1021/nl200791r ↗
4. Chen · Nat. Mater. · 2010 · 9 · 38710.1038/nmat2743 ↗
5. Zheludev · Science · 2010 · 328 · 58210.1126/science.1186756 ↗
6. Gevorgian · Integr. Ferroelectr. · 1998 · 22 · 24510.1080/10584589808208046 ↗
7. Chen · Adv. Mater. · 2017 · 29 · 160642210.1002/adma.201606422 ↗
8. Tseng · J. Appl. Phys. · 2011 · 109 · 08310910.1063/1.3567937 ↗
9. Lo · Appl. Phys. Lett. · 2010 · 96 · 25150110.1063/1.3454778 ↗
10. Getz · Int. J. Solids Struct. · 2017 · 113114 · 2410.1016/j.ijsolstr.2016.10.002 ↗
11. Liu · Opt. Express · 2017 · 25 · 2331210.1364/OE.25.023312 ↗
12. Cheng · Nat. Mater. · 2016 · 15 · 54210.1038/nmat4573 ↗
13. Liu · Optica · 2017 · 4 · 43010.1364/OPTICA.4.000430 ↗
14. Zhao · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 93 · 20110610.1063/1.3033397 ↗
15. Němec · Phys. Rev. B · 2009 · 79 · 24110810.1103/PhysRevB.79.241108 ↗
16. Castles · Adv. Mater. · 2020 · 32 · 190486310.1002/adma.201904863 ↗
17. Roberts · Nano Lett. · 2019 · 19 · 313110.1021/acs.nanolett.9b00552 ↗
18. Wang · Nat. Photonics · 2016 · 10 · 6010.1038/nphoton.2015.247 ↗
19. Hajiesmaili · Nat. Commun. · 2019 · 10 · 18310.1038/s41467-018-08094-w ↗
20. Han · Opt. Express · 2014 · 22 · 2132610.1364/OE.22.021326 ↗
21. Bai · Sci. Adv. · 2020 · 6 · eabb741710.1126/sciadv.abb7417 ↗
22. Wang · Adv. Mater. · 2017 · 29 · 170041210.1002/adma.201700412 ↗
23. Zendejas · J. Microelectromech. Syst. · 2006 · 15 · 61310.1109/JMEMS.2005.863704 ↗
24. Kasirga · Appl. Phys. Lett. · 2009 · 95 · 21410210.1063/1.3268448 ↗
25. Wang · J. Appl. Phys. · 2015 · 117 · 19490110.1063/1.4919605 ↗
26. Kim · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1042910.1038/ncomms10429 ↗
27. Werner · Opt. Express · 2007 · 15 · 334210.1364/OE.15.003342 ↗
28. Slussarenko · Opt. Express · 2011 · 19 · 408510.1364/OE.19.004085 ↗
29. Tagantsev · J. Electroceram. · 2003 · 11 · 510.1023/B:JECR.0000015661.81386.e6 ↗
30. Vendik · J. Supercond. · 1999 · 12 · 32510.1023/A:1007797131173 ↗
31. Lancaster · Supercond. Sci. Technol. · 1998 · 11 · 132310.1088/0953-2048/11/11/021 ↗
32. Hand · J. Appl. Phys. · 2008 · 103 · 06610510.1063/1.2898575 ↗
33. Astafiev · J. Eur. Ceram. Soc. · 2003 · 23 · 238110.1016/S0955-2219(03)00139-0 ↗
34. Jylha · Prog. Electromagn. Res. · 2008 · 78 · 18910.2528/PIER07081502 ↗
35. Sherman · J. Appl. Phys. · 2006 · 99 · 07410410.1063/1.2186004 ↗
36. Padurariu · Appl. Phys. Lett. · 2012 · 100 · 25290510.1063/1.4729878 ↗
37. Cazacu · Appl. Phys. Lett. · 2013 · 102 · 22290310.1063/1.4809673 ↗
38. Vial · J. Appl. Phys. · 2019 · 126 · 04410210.1063/1.5101053 ↗
39. Padurariu · Phys. Rev. B · 2012 · 85 · 22411110.1103/PhysRevB.85.224111 ↗
40. Bendsoe · 2013
41. Zhang · J. Eur. Ceram. Soc. · 2020 · 40 · 399610.1016/j.jeurceramsoc.2020.04.015 ↗
42. Vendik · J. Appl. Phys. · 1998 · 84 · 99310.1063/1.368166 ↗
43. Allaire · SIAM J. Math. Anal. · 1992 · 23 · 148210.1137/0523084 ↗
44. Guenneau · Prog. Electromagn. Res. · 2000 · 27 · 9110.2528/PIER99071201 ↗
45. Otomori · Prog. Electromagn. Res. · 2012 · 127 · 9310.2528/PIER12020501 ↗
46. Molesky · Nat. Photonics · 2018 · 12 · 65910.1038/s41566-018-0246-9 ↗
47. Estakhri · Science · 2019 · 363 · 133310.1126/science.aaw2498 ↗
48. Andkjær · Appl. Phys. Lett. · 2011 · 98 · 02111210.1063/1.3540687 ↗
49. Vial · Opt. Express · 2015 · 23 · 2355110.1364/OE.23.023551 ↗
50. Vial · Sci. Rep. · 2017 · 7 · 392910.1038/s41598-017-04410-4 ↗
51. Lin · Opt. Express · 2019 · 27 · 1576510.1364/OE.27.015765 ↗
52. Lin · Opt. Express · 2019 · 27 · 3244510.1364/OE.27.032445 ↗
53. Diaz · Struct Multidisc Optim · 2010 · 41 · 16310.1007/s00158-009-0416-y ↗
54. Zhou · Acta Mater. · 2011 · 59 · 262410.1016/j.actamat.2010.12.049 ↗
55. Nishi · Int. J. Numer. Meth. Engng. · 2020 · 121 · 121810.1002/nme.6263 ↗
56. Lazarov · Int. J. Numer. Meth. Engng. · 2011 · 86 · 76510.1002/nme.3072 ↗
57. Wang · Struct Multidisc Optim · 2011 · 43 · 76710.1007/s00158-010-0602-y ↗
58. Kawamoto · Struct Multidisc Optim · 2011 · 44 · 1910.1007/s00158-010-0562-2 ↗
59. Bendsøe · Arch. Appl. Mech. Ing. Arch. · 1999 · 69 · 63510.1007/s004190050248 ↗
60. Alnæs · Arch. Numer. Softw. · 2015 · 3 · 2055310.11588/ans.2015.100.20553 ↗
61. Giles · Flow, Turbul. Combust. · 2000 · 65 · 39310.1023/A:1011430410075 ↗
62. Mitusch · J. Open Source Softw. · 2019 · 4 · 129210.21105/joss.01292 ↗
63. Svanberg · SIAM J. Optim. · 2002 · 12 · 55510.1137/S1052623499362822 ↗
64. Dular · IEEE Trans. Magn. · 1998 · 34 · 339510.1109/20.717799 ↗
65. Hernandez · ACM Trans. Math. Softw. · 2005 · 31 · 35110.1145/1089014.1089019 ↗