基于石墨烯超材料的可调谐太赫兹器件的研究

论文摘要

与微波毫米波段相比,位于微波与远红外光之间的太赫兹波具有独特的性能,这使得太赫兹技术迅速发展,在通信、安全、生物医学成像等不同领域显示出潜在的应用前景。石墨烯是一种以蜂窝状排列的二维碳原子层,因其独特的光学特性,所以其在等离子体技术发展中引起了广泛的关注。研究发现,通过化学掺杂或栅极电压可以改变石墨烯的费米能级,进而其电导率就可以在太赫兹频段动态地控制。因此应用石墨烯材料可以实现光学器件的可调谐性。多种基于石墨烯的可调谐器件已被报道,包括吸波器、传感器、开关和调制器等。本文提出了两种基于石墨烯的太赫兹器件模型,并对这两种太赫兹器件进行了仿真分析。设计的可调谐光学器件为:基于石墨烯可调谐太赫兹双频吸波器,基于石墨烯可调谐宽带吸波器,以及基于石墨烯超材料的可调谐双Fano共振传感器。一下是本文的研究内容:1.首先,简单介绍了太赫兹的发展状况、技术应用,为设计、仿真及分析工作在太赫兹频段的相关器件提供了研究的背景;然后,综述了石墨烯研究现状、应用;最后,介绍了几种常见的制备方法。2.首先,介绍了石墨烯优良特性;重点分析了石墨烯的参数特性,包括石墨烯的电导率和介电常数;然后,对石墨烯的可调谐性进行了分析,为基于石墨烯可调谐器件的设计作好了理论准备。最后,对石墨烯的表面等离子体激元理论进行了讨论。3.设计出一种基于石墨烯双频偏振无关的可调谐太赫兹吸波器。仿真结果表明,在较宽的频率范围内,双频吸波器的任意一个吸收频带表现出任意可调谐性,而另一个吸收频带可以保持不变。此外所设计的吸波器具有偏振不敏感和宽入射角的特性。同时,设计了一种基于石墨烯可调谐宽频带太赫兹吸收器。该吸波器不仅吸收频带较宽,而且可以通过外加偏置电压改变石墨烯电导率以调节其中心频率和带宽。仿真结果显示,在较宽的频率范围内可以单独调谐吸波器的吸收带宽和中心频率。4.设计出一种双Fano共振太赫兹折射率传感器,它由两个具有不同费米能级石墨烯方形贴片和环形金属（金）组成,因其需要外加两个不同的电压,故采用两层设计方便实验的实施。电磁波的入射激发了金环和方形石墨烯贴片的表面等离子激元。通过结构设计方式,可以使金环和方形石墨烯贴片的共振叠加,金环和方形石墨烯贴片中激发的模式之间相互耦合最终激发Fano共振。仿真结果显示,折射率灵敏度和品质因数可达4.6329 THz/RIU和15.7047 RIU-1。此外,两个石墨烯方形贴片费米能级可实现分别可调谐,因此所设计的传感器可主动调节的测量范围较为广泛。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 太赫兹简介
•     1.1.1 太赫兹技术的研究现状
•     1.1.2 太赫兹技术的应用
•   1.2 石墨烯的简介
•     1.2.1 石墨烯的制备方法
•     1.2.2 石墨烯的研究现状
•     1.2.3 石墨烯的应用
•   1.3 本文主要内容与创新点
•     1.3.1 本文的主要内容
•     1.3.2 本文的创新点
• 第二章 石墨烯及表面等离子体激元的理论基础
•   2.1 石墨烯的优良特性
•   2.2 石墨烯材料的参数特性
•     2.2.1 石墨烯电导率的计算
•     2.2.2 石墨烯介电常数的计算
•   2.3 石墨烯可调谐性分析
•   2.4 石墨烯表面等离子体激元的理论分析
•   2.5 本章小结
• 第三章 基于石墨烯超材料可调谐太赫兹吸波器的研究与设计
•   3.1 基于超材料吸波器的理论分析
•     3.1.1 常规材料吸波器的吸波理论
•     3.1.2 超材料吸波器的吸波理论
•   3.2 双频带可调谐太赫兹吸波器
•     3.2.1 吸波器结构设计
•     3.2.2 吸波器仿真及结果分析
•     3.2.3 结论
•   3.3 宽带可调谐太赫兹吸波器
•     3.3.1 吸波器结构设计
•     3.3.2 吸波器仿真及结果分析
•     3.3.3 结论
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于石墨烯可调谐双Fano共振传感器的设计
•   4.1 传感器的理论分析
•   4.2 传感器的结构设计
•   4.3 传感器的仿真及结果分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘春野

导师: 白育堃

关键词: 太赫兹,石墨烯,可调谐性,偏振无关,双频,宽频,吸波器,共振,传感器

来源: 天津理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 天津理工大学

分类号: O441.4;TB34

总页数: 70

文件大小: 3455K

下载量: 338