基于石墨烯的太赫兹吸收器结构设计与特性分析研究

作     者：任盼盼 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张冠茂

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：石墨烯 太赫兹波 吸收器 电可调特性 相干叠加 

摘      要：近年来,石墨烯的应用越来越广泛,石墨烯电池、石墨烯折叠屏及石墨烯光学器件在市面上更加常见。石墨烯可在太赫兹和中红外波段激发表面等离子激元,所以基于石墨烯的光学调制器、由石墨烯所构成的天线阵列、石墨烯吸收器等都取得了一定的研究成果。太赫兹波可广泛的应用在医疗器械、安全检查和军事方面,因此石墨烯在太赫兹波段的应用具有一定的实用价值。本文主要研究了基于石墨烯的太赫兹吸收器的设计与特性分析,分别提出了基于石墨烯的窄带吸收器和基于石墨烯的宽带吸收器。对于窄带吸收器仿真结果证明,改变结构参数,吸收率可高达99.99%,达到了完美吸收特性。该吸收器结构是高度对称的,所以具有极化不敏感和大角度吸收特性。更重要的是,可在不改变吸收器结构参数的情况下,改变石墨烯化学势来动态调控吸收效率和带宽。但吸收器的带宽在理想状态下只有2.22 THz,为进一步扩大应用带来了阻碍。接着,提出了基于石墨烯超材料的斜8字型超宽带吸收器和阶梯型超宽带吸收器。由于具有周期性的单元结构,所以该超材料吸收器的带宽足够宽,且容易实现完美的吸收特性。由仿真结果可看出,斜8字型吸收器具有高达7.4 THz的超高带宽,这一优点使其在太赫兹波段具有广泛的实用价值。吸收器的大角度吸收特性和极化不敏感特性进一步提高了实用性。调节结构参数,吸收器的吸收率大于90%的带宽为3.85 THz。最大吸收率高达99.99%,从而使吸收器实现了完美吸收特性。阶梯型吸收器的带宽可达5.885 THz,调节矩形条的长和宽可实现94.75%的吸收效率。本文提出的吸收器都可利用石墨烯的电可调特性来调节其吸收效率和带宽,所以其实际应用价值更为显著。