基于石墨烯—金属复合结构的太赫兹波传播特性研究

论文摘要

太赫兹（terahertz,THz）波在电磁波谱中处于微波和红外辐射之间,在无线通讯、物体成像和天文观测等方面表现出巨大的应用价值。但是目前能对太赫兹波实现有效操控的可调谐功能器件却十分匮乏。高品质因子的窄带共振谱线对THz波在生物样品检测、慢光器件设计和光电开关等方面的应用非常重要。基于超材料非对称结构中明态和暗态两种模式相互作用而形成的Fano共振具有损耗低和谱线尖锐等优点,能很好地满足这方面的应用需求。石墨烯具有很高的载流子迁移率,在THz波段其电导率可以随着费米能级调节而显著改变,非常适合用以制作可调谐器件。为获得高性能的可调谐THz波导功能器件,基于石墨烯-金属（或半导体）所构成的复合结构,我们采用有限积分法开展了THz石墨烯调制器件的模拟设计工作,并对其调节的物理机制进行了探讨。主要研究结果如下:（1）在金属（或半导体锑化铟）超材料谐振环基础上,以整片石墨烯作为有源区,通过外加偏置电压控制其载流子浓度,模拟研究了该复合微结构的可调谐传播特性。结果表明,在锑化铟-石墨烯超材料结构中,当费米能级在0.01-0.30e V范围内变化时,共振振幅和频率的调制深度分别为26.0%和43.4%,共振谱线的品质因子最高可以达到40以上。（2）以石墨烯微结构作为有源区,模拟研究了周期性条带结构对THz波的调节特性,并考虑了石墨烯费米能级、结构参数和工作频率的影响。结果表明,在金属-石墨烯复合条带微结构中可以观察到明显的Fano共振,透射峰值最高可达0.97,品质因子约为20。对于石墨烯-石墨烯非对称条带结构,当费米能级在0.1-1.0 e V范围内变化时,Fano共振频率的调制深度可以达到60%以上。（3）基于锑化铟的复合条带型微结构,设计了一种高品质因子的THz波调制器,并且通过掺杂、改变温度等方式对其共振谱线可以实现有效调节。结果表明,对于铜-锑化铟复合结构,当掺杂锑化铟的载流子浓度在5×1016-5×1018 cm-3范围内变化时,Fano透射峰幅值的调制深度可以达到80%以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•     1.1.1 THz波简介
•     1.1.2 表面等离子激元
•     1.1.3 超材料
•   1.2 太赫兹石墨烯调制器简介
•   1.3 本论文的研究意义和主要内容
• 第2章 计算方法与内容
•   2.1 石墨烯复电导率的计算
•   2.2 InSb
•   2.3 金属
•   2.4 CST微波工作室简介
• 第3章 石墨烯-金属开口环复合微结构中THz波的传播特性研究
•   3.1 结构模型设计
•   3.2 结果和讨论
•   3.3 本章小结
• 第4章 石墨烯-金属复合光栅微结构的可调谐Fano共振效应研究
•   4.1 结构模型设计
•   4.2 结果和讨论
•   4.3 本章小结
• 第5章 基于InSb条带微结构的可调谐Fano共振效应研究
•   5.1 结构模型设计
•   5.2 结果和讨论
•   5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 石陈煜燚

导师: 何晓勇

关键词: 太赫兹波,表面等离激元,超材料,法诺共振,石墨烯

来源: 上海师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 上海师范大学

分类号: O441.4

总页数: 56

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