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基于石墨烯的太赫兹吸收器结构设计与特性分析研究

基于石墨烯的太赫兹吸收器结构设计与特性分析研究

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作者：任盼盼兰州大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：石墨烯太赫兹波吸收器电可调特性相干叠加

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基于石墨烯超材料的可调谐吸波器设计

基于石墨烯超材料的可调谐吸波器设计

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作者：朱良欣兰州大学

学位级别：硕士

电磁超材料具有许多天然材料所不具备的特性,其电磁参数如介电常数和磁导率等可以通过改变内部的单元结构而改变,因而电磁超材料在电磁隐身、超透镜等领域具有广阔的应用前景。石墨烯因其本身所具有的独特物理性质尤其是电可调特性,一... 详细信息

电磁超材料具有许多天然材料所不具备的特性,其电磁参数如介电常数和磁导率等可以通过改变内部的单元结构而改变,因而电磁超材料在电磁隐身、超透镜等领域具有广阔的应用前景。石墨烯因其本身所具有的独特物理性质尤其是电可调特性,一经发现便成为了众多领域的研究热点。当石墨烯被图案化时,入射到石墨烯表面的电磁波可以在石墨烯的边缘激发出表面等离激元共振,从而使能量被束缚在石墨烯微结构附近。本文基于超材料与石墨烯的理论基础,设计了两种超材料吸收器,并利用仿真软件对其性能进行了分析。本文首先研究了一种太赫兹波段的宽带吸波器,利用石墨烯的表面等离激元激发出了法布里-玻罗共振,获得了 3.12 THz的宽带吸收,吸收最大值为0.999,实现了完美吸收。在不改变结构参数的前提下,通过改变石墨烯的化学势动态调控吸波器的吸收率和吸收频带。在石墨烯的化学势为0 eV即不对石墨烯进行调控时,该吸收器的反射率高达0.84,可以作为反射器来使用。其次,本文研究了一种双功能吸波器,利用二氧化钒的热调谐特性实现吸波器工作模式的转换。在室温23℃下即二氧化钒的电导率取10 S/m时,二氧化钒表现为介质特性。吸波器工作在多频带模式,吸收曲线由三个频带构成:0.67 THz～1.58 THz、3.41 THz～3.60THz和4.01 THz～5.12THz,最大吸收率为0.984。当温度升温至68℃以上即二氧化钒的电导率取200000 S/m时,二氧化钒表现为金属特性。吸波器工作在宽带模式,工作频带为2.62 THz～5.94 THz,吸收带宽为3.32 THz,最大吸收率为0.979。通过升温至68℃以上,即可实现二氧化钒介质态到金属态的转变,相变温度相对较低,具有较好的可操作性。

关键词：超材料吸波器石墨烯电可调特性表面等离激元

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