超材料是一类人工材料,它经过工程设计后可以产生某些在自然状态下不会出现的特殊性质。超材料通常用某些复合材料经过精心设计成不同的结构单元后组装而成,这些复合材料包括塑料和金属,通常以周期性重复的方式进行组织,其尺寸通常小于所考虑的波长。超材料经过精心设计通常能够影响电磁波或声波,而且超材料的这种影响方式在体材料中并不多见。超材料的折射率对于特定的波长可以为负值,因而这类材料也被称之为负折射率超材料,这一特性引起了人们的广泛关注。本文主要对超材料的一些新型结构进行研究,并探索具有负折射率的新型材料单元,以期在光谱范围内(特别是在可见光区)能获得负的介电常数、磁导率或者折射率。论文的主要工作和研究成果如下:(1)提出了一类核-壳金属介电结构,在可见光范围内具有各向同性负折射率。该结构由两个纳米球(核和壳)组成,本文中选择的材料是木材、油和银金属。在这类结构中,发现油壳银核、木壳银核、银壳木核和油壳木核在可见光下均展现出负折射率。油壳银核纳米颗粒在550nm-680nm波长范围内具有较高的透射率;换句话说,我们认为它对黄色和橙色透射率较高是可以作为滤波器应用的。对于木壳银核纳米颗粒,分析表明,使用木材作为介电壳层可以在456.9nm波长吸收多达50%的光,同时该混合物在456.9nm波长处反射光低于20%。我们认为这种结构有可能用作带阻滤光器,另一方面,由于这种结构在456.9nm波长处吸收率高达50%,我们可以考虑将这种特定的混合物结构用作光学共振超材料吸收体。银壳涂层的木芯纳米颗粒结构显示出控制反射和吸收的能力。对于油壳木核纳米颗粒,我们发现该结构在382nm波长处具有81%的反射率、1.56%的透射率和19%的吸收率,因此,这种组合结构可以在天文望远镜中作为紫外光反射器。我们还研究了油壳木核纳米颗粒在不同涂层半径下的反射光谱,发现反射光谱特性与油壳半径有关联性。(2)探讨了汞作为一种新型超材料在光频段的特性。其结构设计为前后开口的盒子,该盒子中有许多由水银制成的纳米线。结果表明这种新的超材料形式在可见光范围内具有负的磁导率,从而可导致负折射率。不断增加纳米线的半径可以增强该结构的吸收特性。因此该结构可以用于可穿戴产品滤波应用行业中,特别是用作阻带滤波器。(3)研究了环氧树脂材料的超材料性能,该材料在光频段(特别是可见光)采用周期性的球形结构。这种材料在特定的频率范围内显示出负折射率,其虚部的值很小,这样允许光波在纳米结构中传播。同时,在半径R=10、15、20和25nm的情况下,它显示出很好的透射率。结果表明,增加球的半径会使折射率朝正值移动,而且介电常数和磁导率也具有相同的效应。当增加这些纳米颗粒的半径到r=30nm时,我们得到了宽带高磁导率超材料,这可以在气体分离技术中具有应用潜力。然后,考虑将环氧树脂纳米颗粒加入到云母玻璃衬底上的情况,颗粒半径为20nm,介电常数为4,衬底有效厚度为70nm,介电常数为6.7。在可见光的某些波段,我们观测到折射率的实部为负值,而且介电常数和导磁率的实部也为负值,这是在不使用开环谐振器和细电缆的情况下得到的。(4)研究了一种手性超材料,其结构是一种三维手性结构,在中红外范围内表现出极大的圆二色性。这种结构在生物传感中具有潜在的应用价值,可以用于在中红外光谱区探测肌红蛋白,α-糜蛋白酶和伴刀豆球蛋白A的存在。