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石墨烯—介质复合结构的研究与应用

发布时间:2019-03-06 20:07
【摘要】:自石墨烯(Graphene)被成功制备以来,其优异的性能吸引了全球范围内广泛的关注,无数基于石墨烯且性能出色的纳米电子、光子器件不断涌现,展现了石墨烯巨大的应用潜力。本文采用广义谱域指数矩阵技术分析了电磁波在石墨烯-介质复合结构中的传播特性,主要是透射和反射特性。并在此基础上,探索了将石墨烯-介质复合结构应用到多种器件中的可能性。本文分别仿真分析了平行平板波导、开关以及功率分配器。以下是本文的主要工作和创新点总结:首先,本文简单介绍了石墨烯的能带结构,解释了石墨烯出色性能的微观原理;接着引入了两种石墨烯的电导率模型,即光波段石墨烯电导率模型以及外加光激励下的多层石墨烯电导率模型;然后又介绍了石墨烯的等效电路模型以及广义谱域指数矩阵技术,为后续理论计算部分作铺垫。其次,详细对比分析了等效电路模型,转移矩阵方法以及广义谱域指数矩阵技术三种方法的适用场合,最终选定广义谱域指数矩阵技术作为本文的计算方法。接着分析了电磁波在石墨烯-轴向螺旋(双)各项异性介质复合结构和多层石墨烯-铁电体介质复合结构中的传播特性,介绍了引入石墨烯对其复合结构的影响。最后,在之前研究的基础上,我们把多层石墨烯-铁电体介质复合结构应用到平行平板波导中,详细分析了波导TM模式的相位和衰减特性,与此同时,我们还仿真分析了工作在太赫兹波段基于石墨烯-介质复合结构的等离子激元开关和功率分配器,发现调节石墨烯的化学势可以高效地控制开关的“开通”和“关闭”状态以及选择功率分配器的功率分配支路端口。本文旨在通过仿真分析为纳米电子和光子学器件的工业设计和实现提供一定的参考。
[Abstract]:Since the preparation of graphene (Graphene), its excellent performance has attracted wide attention all over the world. Numerous graphene-based and excellent nano-electrons, photon devices are emerging, showing the huge application potential of graphene. In this paper, the propagation characteristics of electromagnetic wave in graphene-dielectric composite structure are analyzed by means of generalized spectral domain exponential matrix technique, mainly transmission and reflection characteristics. On this basis, the possibility of applying graphene-dielectric composite structure to a variety of devices is explored. In this paper, parallel planar waveguide, switch and power distributor are simulated and analyzed respectively. The main work and innovations of this paper are summarized as follows: firstly, the energy band structure of graphene is briefly introduced, and the microcosmic principle of excellent performance of graphene is explained. Then two kinds of graphene conductivity models are introduced, I. E., light band graphene conductivity model and multilayer graphene conductivity model under external light excitation. Then the equivalent circuit model of graphene and the technique of generalized spectral domain exponential matrix are introduced to pave the way for the following theoretical calculation. Secondly, the applications of equivalent circuit model, transfer matrix method and generalized spectral domain exponential matrix technique are compared and analyzed in detail. Finally, the generalized spectral domain exponential matrix technique is selected as the calculation method in this paper. Then, the propagation characteristics of electromagnetic wave in the composite structure of graphene-axial helical (bi -) anisotropic medium and multilayer graphene-ferroelectric medium are analyzed, and the effect of graphene introduction on the composite structure is introduced. Finally, on the basis of the previous study, we apply the multilayer graphene-ferroelectric dielectric composite structure to the parallel planar waveguide, and analyze the phase and attenuation characteristics of the waveguide TM mode in detail. We also simulated and analyzed the plasma exciton switches and power splitters working in terahertz band based on graphene-dielectric composite structure. It is found that adjusting the chemical potential of graphene can effectively control the "on" and "off" states of the switch and select the power distribution branch port of the power distributor. The purpose of this paper is to provide some reference for the industrial design and implementation of nano-electronics and photonics devices through simulation analysis.
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O613.71;TB33

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1 记者 张Z,

本文编号:2435856


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