基于M-FDTD方法的一维石墨烯电磁特性研究

发布时间：2017-10-02 16:00

  本文关键词：基于M-FDTD方法的一维石墨烯电磁特性研究

  更多相关文章： 石墨烯 太赫兹 表面边界条件 光子晶体 有机太阳能电池

【摘要】：石墨烯,是由碳原子构成的二维晶体结构,是目前世界上最薄的材料.它具有良好的导电性,零带隙能带结构以及独特的光敏感特性。由于石墨烯独特的光学特性,以及在2004年石墨烯被成功剥离后,使它作为一个新颖的二维半导体材料受到广泛关注。近几年石墨烯的研究已经有了很大的突破,石墨烯的大规模制作生产方面也有了显著进步。本文以时域有限差分算法(FDTD)为基本研究方法,结合表面边界条件方法(SBC),推导了太赫兹电磁波垂直入射以及斜入射下单层石墨烯的FDTD迭代式,计算了其反射和透射系数,并与解析解对比验证了该理论的正确性。将表面边界条件方法引入光子晶体中,研究了一维石墨烯光子晶体在太赫兹电磁波的吸收特性。通过改变石墨烯在模型中的位置,得到了一维石墨烯吸收特性与石墨烯位置的关系。结果表明,当石墨烯位于光子晶体表面时,由于石墨烯和间隔层在光子晶体表面构成了表面缺陷,从而导致光的局域化,这种局域化增强了石墨烯对太赫兹电磁波能量的吸收。接着用基于拉普拉斯变换的电流密度卷积方法(LTJEC-FDTD)对有一定厚度的石墨烯进行时域有限差分计算,推导了垂直入射的太赫兹电磁波下石墨烯的FDTD迭代式,计算了其反射和透射系数,并与解析解对比验证了该理论的正确性。同时利用一维斜入射情况下的修正FDTD算法,将二维问题转化为等价的一维问题,并通过该转换和修正的连接边界引入入射波,较好的解决了常规方式难以引入入射波源的问题。结合LTJEC-FDTD算法,推导了太赫兹电磁波斜入射情况下石墨烯的FDTD迭代式,并将计算得到的反射和透射系数与解析解对比,验证了该理论的正确性。最后,用LTJEC-FDTD算法研究了以石英玻璃为衬底的石墨烯太阳能电池透光电极的电磁特性问题,并与传统的铟锡氧化物(ITO)太阳能电池透光电极电磁特性相比较,结果表明,在低频时,石墨烯太阳能电池透光电极的电磁特性更佳。用石墨烯代替铟锡氧化物,应用于有机太阳能电池的透光电极,相对来说表现出更好的性能,具有很大的发展潜能。
【关键词】：石墨烯 太赫兹 表面边界条件 光子晶体 有机太阳能电池
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 选题背景及研究意义9-10
• 1.2 国内外研究概况及其进展10-12
• 1.3 本文内容安排12-13
• 1.4 本章小结13-15
• 第二章 基于石墨烯的表面边界条件方法15-29
• 2.1 垂直入射情况石墨烯电磁特性研究15-18
• 2.1.1 表面边界条件的FDTD迭代式15-17
• 2.1.2 数值验证17-18
• 2.2 斜入射情况石墨烯电磁特性研究18-27
• 2.2.1 TEz波FDTD迭代式的推导18-22
• 2.2.2 TMz波FDTD迭代式的推导22-25
• 2.2.3 修正的Mur吸收边界25
• 2.2.4 修正的连接边界25
• 2.2.5 数值验证25-27
• 2.3 本章小结27-29
• 第三章 石墨烯应用于一维太赫兹光子晶体电磁特性研究29-43
• 3.1 电磁波垂直入射石墨烯光子晶体电磁特性研究29-34
• 3.1.1 石墨烯置于一维光子晶体表面对电磁特性的影响29-31
• 3.1.2 石墨烯置于一维光子晶体中间层对电磁特性的影响31-32
• 3.1.3 石墨烯置于一维光子晶体底层对电磁特性的影响32-34
• 3.2 电磁波斜入射石墨烯光子晶体电磁特性研究34-42
• 3.2.1 石墨烯置于一维光子晶体表面对电磁特性的影响34-37
• 3.2.2 石墨烯置于一维光子晶体中间层对电磁特性的影响37-39
• 3.2.3 石墨烯置于一维光子晶体底层对电磁特性的影响39-42
• 3.3 本章小结42-43
• 第四章 基于石墨烯的拉普拉斯变换电流密度卷积FDTD方法43-59
• 4.1 垂直入射情况石墨烯电磁特性研究43-49
• 4.1.1 石墨烯的FDTD迭代式推导43-48
• 4.1.2 数值验证48-49
• 4.2 斜入射情况石墨烯电磁特性研究49-58
• 4.2.1 TEz波FDTD迭代式的推导49-52
• 4.2.2 TMz波FDTD迭代式的推导52-56
• 4.2.3 数值验证56-58
• 4.3 本章小结58-59
• 第五章 石墨烯应用于有机太阳能电池的电磁特性研究59-71
• 5.1 电磁波垂直入射于有机太阳能透光电极59-63
• 5.1.1 ITO的介电常数59-60
• 5.1.2 ITO的FDTD迭代式推导60-61
• 5.1.3 石墨烯/ITO有机太阳能透光电极对电磁特性的影响61-63
• 5.2 电磁波斜入射于有机太阳能透光电极63-69
• 5.2.1 TEz波时ITO的FDTD迭代式推导63-64
• 5.2.2 TMz波时ITO的FDTD迭代式推导64-66
• 5.2.3 石墨烯/ITO有机太阳能电池透光电极电磁特性66-69
• 5.3 本章小结69-71
• 第六章 总结和展望71-75
• 参考文献75-81
• 致谢81-83
• 攻读硕士学位期间发表的论文83

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本文编号：960479