基于石墨烯—金属复合结构的太赫兹波传播特性研究

发布时间：2020-05-25 16:09

【摘要】：太赫兹(terahertz,THz)波在电磁波谱中处于微波和红外辐射之间,在无线通讯、物体成像和天文观测等方面表现出巨大的应用价值。但是目前能对太赫兹波实现有效操控的可调谐功能器件却十分匮乏。高品质因子的窄带共振谱线对THz波在生物样品检测、慢光器件设计和光电开关等方面的应用非常重要。基于超材料非对称结构中明态和暗态两种模式相互作用而形成的Fano共振具有损耗低和谱线尖锐等优点,能很好地满足这方面的应用需求。石墨烯具有很高的载流子迁移率,在THz波段其电导率可以随着费米能级调节而显著改变,非常适合用以制作可调谐器件。为获得高性能的可调谐THz波导功能器件,基于石墨烯-金属(或半导体)所构成的复合结构,我们采用有限积分法开展了THz石墨烯调制器件的模拟设计工作,并对其调节的物理机制进行了探讨。主要研究结果如下:(1)在金属(或半导体锑化铟)超材料谐振环基础上,以整片石墨烯作为有源区,通过外加偏置电压控制其载流子浓度,模拟研究了该复合微结构的可调谐传播特性。结果表明,在锑化铟-石墨烯超材料结构中,当费米能级在0.01-0.30e V范围内变化时,共振振幅和频率的调制深度分别为26.0%和43.4%,共振谱线的品质因子最高可以达到40以上。(2)以石墨烯微结构作为有源区,模拟研究了周期性条带结构对THz波的调节特性,并考虑了石墨烯费米能级、结构参数和工作频率的影响。结果表明,在金属-石墨烯复合条带微结构中可以观察到明显的Fano共振,透射峰值最高可达0.97,品质因子约为20。对于石墨烯-石墨烯非对称条带结构,当费米能级在0.1-1.0 e V范围内变化时,Fano共振频率的调制深度可以达到60%以上。(3)基于锑化铟的复合条带型微结构,设计了一种高品质因子的THz波调制器,并且通过掺杂、改变温度等方式对其共振谱线可以实现有效调节。结果表明,对于铜-锑化铟复合结构,当掺杂锑化铟的载流子浓度在5×1016-5×1018 cm-3范围内变化时,Fano透射峰幅值的调制深度可以达到80%以上。
【图文】：

图 1-1 THz 波在电磁波谱中的位置，频率范围为 0.3×1012-1×1013Hz。太赫兹（terahertz，，THz，1 THz = 1012Hz = 33.3 cm-1）波通常是指频率在0.3 THz - 10 THz（波长 1 mm - 30 μm）范围内的电磁辐射，其波谱位于微波和红外光之间，如图 1-1 所示，处于电子学和光子学的过渡区域，在无线通讯、物

图 1-2 表面等离激元及其电场强度衰减趋势图，它沿金属-介质界面传播，在垂直于界面的金属和介质中都呈指数衰减。表面等离子激元（Surface Plasmons, SPs）是指当光波入射到金属与介质的分界面时，金属自由电子与电磁波相互耦合形成的一种沿着金属-介质界面传播
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4

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本文编号：2680402