基于石墨烯的太赫兹可调吸波器研究

论文摘要

石墨烯作为一种新型材料,自从2004年由英国曼彻斯特大学诺贝尔物理学奖获得者Geim和Novoselov教授在实验室将其分离出来,由于其独特的二维几何结构以及其优异的光学,电学和力学等特性,已经被学者们广泛应用于各种前沿可调器件的设计。随着电磁频谱的资源竞争愈发激烈,太赫兹频段作为电磁频谱上唯一尚未完全被开发和利用的频段,具有极大的研究意义和应用前景。本文利用石墨烯可调的材料性质,提出几种可调吸波器,并对其特性进行了研究,本文主要研究内容如下:1.引入石墨烯材料,对石墨烯的电磁特性参数进行了研究和讨论。通过Kubo公式提取石墨烯的电磁参数,得到石墨烯的电磁特性参数与调谐量(石墨烯化学势)μc的大小关系,得出石墨烯的电可调理论的依据,准确的石墨烯电磁特性参数以及电可调性分析为设计基于石墨烯的太赫兹可调吸波器提供了重要的理论依据。2.设计了两款基于图案化石墨烯结构的宽带吸波器,从设计基于矩形方片单层石墨烯太赫兹吸波器到设计基于混合结构的单层石墨烯太赫兹吸波器,得到了两款基于结构化石墨烯的吸收率可调并且工作频带稳定的宽带太赫兹吸波器。由于在石墨烯表面能激发起连续的石墨烯表面等离激元,因此实现了对垂直入射的太赫兹波90%以上吸收率的吸收带宽达到了2.02THz。研究了这两种结构石墨烯太赫兹吸波器的吸收特性和极化、入射角度的关系,以及基于石墨烯化学势调谐的吸收率可调的特性,并且根据石墨烯层的电场分布,分析了吸波器宽带吸收的原理。3.设计了一种基于石墨烯和金属混合结构的太赫兹窄带吸收频率可调的吸波器,能够在太赫兹频段内得到单频点的完美吸收,采用等效媒质理论进行了完美吸收的理论分析,研究了吸波器的结构和石墨烯特性与吸收特性的关系。并且基于此窄带吸波器结构,通过引入多谐振的单元,得到了一个宽带太赫兹吸波器结构,吸收带宽由单频点吸收拓展到了0.45THz,结合电场和能量分析,分析了该宽带吸波器宽带吸收的原理,讨论了极化,入射角等参数对其性能的影响。4.设计了一款基于石墨烯和介质混合结构的太赫兹超宽带吸波器,该吸波器90%以上的吸收范围为0.34 THz到高于10 THz,相对吸收带宽超过了 186%。通过对电场分析和等效媒质理论对其超宽带吸收进行了分析和说明。研究了入射角度和极化对太赫兹波吸收的影响,通过对比有无石墨烯对吸收特性以及化学势对吸收的影响,分析了石墨烯对吸收的影响和局域吸收率可调的特性。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 太赫兹吸波器研究现状

1.2.1 基于金属超材料太赫兹吸波器研究现状

1.2.2 基于石墨烯超材料的太赫兹吸波器研究现状

1.3 本文的研究内容

第二章基于图案化石墨烯结构的太赫兹吸波器

2.1 引言

2.2 基于矩形石墨烯结构的太赫兹可调吸波器设计

2.2.1 基于矩形石墨烯结构的太赫兹可调吸波器结构

2.2.2 基于矩形石墨烯结构的太赫兹可调吸波器结果和分析

2.2.3 本节小结

2.3 基于混合形状的石墨烯结构的太赫兹可调吸波器设计

2.3.1 基于混合形状石墨烯结构的太赫兹可调吸波器结构

2.3.2 基于矩形石墨烯结构的太赫兹可调吸波器结果和分析

2.3.3 本节小结

2.4 本章小结

第三章基于石墨烯和金属混合结构的太赫兹吸波器

3.1 引言

3.2 基于石墨烯和金属混合结构的太赫兹窄带吸波器设计

3.2.1 基于石墨烯和金属混合结构的太赫兹窄带吸波器结构

3.2.2 基于石墨烯和金属混合结构的太赫兹窄带吸波器结果和分析

3.2.3 小结

3.3 基于石墨烯和金属混合结构太赫兹宽带吸波器设计

3.3.1 基于石墨烯和金属混合结构的太赫兹宽带吸波器结构

3.3.2 基于石墨烯和金属混合结构的太赫兹宽带吸波器结果与分析

3.3.3 本节小结

3.4 本章小结

第四章基于石墨烯和介质混合结构的太赫兹吸波器

4.1 基于石墨烯和介质混合结构的太赫兹吸波器结构

4.2 基于石墨烯和介质混合结构的太赫兹吸波器结果与分析

4.3 本章小结

第五章总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录科研成果情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈鑫

导师: 叶龙芳

关键词: 石墨烯,太赫兹,可调吸波器

来源: 厦门大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学

单位: 厦门大学

分类号: TQ127.11;O441.4

总页数: 71

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