基于石墨烯超材料的可调谐太赫兹器件的研究

发布时间：2020-11-06 16:52

　　 与微波毫米波段相比,位于微波与远红外光之间的太赫兹波具有独特的性能,这使得太赫兹技术迅速发展,在通信、安全、生物医学成像等不同领域显示出潜在的应用前景。石墨烯是一种以蜂窝状排列的二维碳原子层,因其独特的光学特性,所以其在等离子体技术发展中引起了广泛的关注。研究发现,通过化学掺杂或栅极电压可以改变石墨烯的费米能级,进而其电导率就可以在太赫兹频段动态地控制。因此应用石墨烯材料可以实现光学器件的可调谐性。多种基于石墨烯的可调谐器件已被报道,包括吸波器、传感器、开关和调制器等。本文提出了两种基于石墨烯的太赫兹器件模型,并对这两种太赫兹器件进行了仿真分析。设计的可调谐光学器件为:基于石墨烯可调谐太赫兹双频吸波器,基于石墨烯可调谐宽带吸波器,以及基于石墨烯超材料的可调谐双Fano共振传感器。一下是本文的研究内容:1.首先,简单介绍了太赫兹的发展状况、技术应用,为设计、仿真及分析工作在太赫兹频段的相关器件提供了研究的背景;然后,综述了石墨烯研究现状、应用;最后,介绍了几种常见的制备方法。2.首先,介绍了石墨烯优良特性;重点分析了石墨烯的参数特性,包括石墨烯的电导率和介电常数;然后,对石墨烯的可调谐性进行了分析,为基于石墨烯可调谐器件的设计作好了理论准备。最后,对石墨烯的表面等离子体激元理论进行了讨论。3.设计出一种基于石墨烯双频偏振无关的可调谐太赫兹吸波器。仿真结果表明,在较宽的频率范围内,双频吸波器的任意一个吸收频带表现出任意可调谐性,而另一个吸收频带可以保持不变。此外所设计的吸波器具有偏振不敏感和宽入射角的特性。同时,设计了一种基于石墨烯可调谐宽频带太赫兹吸收器。该吸波器不仅吸收频带较宽,而且可以通过外加偏置电压改变石墨烯电导率以调节其中心频率和带宽。仿真结果显示,在较宽的频率范围内可以单独调谐吸波器的吸收带宽和中心频率。4.设计出一种双Fano共振太赫兹折射率传感器,它由两个具有不同费米能级石墨烯方形贴片和环形金属(金)组成,因其需要外加两个不同的电压,故采用两层设计方便实验的实施。电磁波的入射激发了金环和方形石墨烯贴片的表面等离子激元。通过结构设计方式,可以使金环和方形石墨烯贴片的共振叠加,金环和方形石墨烯贴片中激发的模式之间相互耦合最终激发Fano共振。仿真结果显示,折射率灵敏度和品质因数可达4.6329 THz/RIU和15.7047 RIU~(-1)。此外,两个石墨烯方形贴片费米能级可实现分别可调谐,因此所设计的传感器可主动调节的测量范围较为广泛。
【学位单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O441.4;TB34
【部分图文】：

2 202, , 2 , ,s d c d c cFn f T f T d h2-13）两式可以得到： 02 202, , 2 , ,d c d c cFEf T f T de h曼常数， , , d Ff E T是费米分布，F 是费米速度（取值为加偏置的条件下下c0sn ，若通过化学掺杂或者外得到特定的化学势能(c )值，根据（3）式可以得到石墨烯如下图（2-2）所示，通过调节偏压电场值从 0 到4V /nm到1eV 。

第三章 基于石墨烯超材料可调谐太赫兹吸波器的研究表 3-1 吸波器单元结构尺寸参数 值(μm) 参数 值(μm)a 15.4 w1 0.5r1 1.4 w2 2r2 1.9 tc0.1r3 3 t1 3r4 5 t2 2

如图3-14（b）所示。 其中两层介质层均采用材料环烯烃类共聚物（TOPAS COC），其介电常数为 2.31TOPAS COC ，底层金属板材料为铜，其电导率为7 4.09 1 0 S /m，石墨烯的弛豫时间13 10 s 。仿真采用软件 CST Microwave Studio 2016 ，在频域下求解。+Z 和-Z 方向分别设置为 open（add space）边界条件，作为电磁波的激发源以及吸收边界。X和 Y 方向均设置为 Unite Cell。表 3-2 吸波器单元结构尺寸参数 值(μm) 参数 值(μm)p 16 H 15r16.0 h 4r23.5 tc0.1r36.0 tg0.001r43.0（a）俯视图
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王雅珍;庆迎博;孟爽;孙瑜;;石墨烯制备及应用研究进展[J];化学世界;2019年07期

2 胡程月;贾雪茹;代海波;;氧化石墨烯在阻燃材料中的研究进展[J];四川化工;2019年03期

3 ;高性能石墨烯阴极防腐涂层领域取得进展[J];表面工程与再制造;2019年02期

4 陈志;;石墨烯:新兴产业发展的惯性与突破[J];科技中国;2019年07期

5 韩军凯;冯奕钰;李瑀;封伟;;刺激响应型石墨烯材料的研究新进展[J];功能高分子学报;2019年04期

6 ;年产100吨石墨烯粉体生产线在常州投运[J];中国粉体工业;2013年06期

7 ;石墨烯标委会拟成立 石墨烯标准化制定企业待定[J];中国粉体工业;2013年06期

8 ;石墨烯行业发展部署启动 鼓励各省成立独立联盟[J];中国粉体工业;2013年06期

9 钱伯章;;石墨烯材料制备技术及应用研究进展[J];石油和化工节能;2016年01期

10 ;天奈科技开发出碳纳米管与石墨烯复合锂电池助导剂[J];中国粉体工业;2016年03期

相关博士学位论文 前10条

1 李婷;石墨烯和六方氮化硼界面热特性的研究[D];大连理工大学;2018年

2 吴召洪;高性能石墨烯基导热和应变传感复合材料的应用研究[D];中国科学技术大学;2019年

3 马迅;可控石墨烯支架对神经祖细胞的生物学研究[D];中国科学技术大学;2019年

4 余炎子;石墨烯埃米通道离子输运的力学机理研究[D];中国科学技术大学;2019年

5 李磊磊;二维材料层间势的调控及界面位错结构的力学研究[D];中国科学技术大学;2019年

6 龙佳朋;P、N共掺氧化石墨烯及复合材料性能的研究[D];沈阳工业大学;2019年

7 刘霞;氧化石墨烯在环境介质上的吸附聚集行为研究[D];中国科学技术大学;2019年

8 何广宇;小分子在石墨烯及C_3N_4表界面上扩散与反应的第一性原理研究[D];浙江大学;2019年

9 宋雨晴;三维石墨烯材料的构建及在超级电容器与电热膜中的应用[D];中国科学技术大学;2019年

10 孙晓旭;非贵金属掺杂石墨烯体系氧还原反应机理理论研究[D];中国科学技术大学;2019年

相关硕士学位论文 前10条

1 孙丹凤;基于碳纳米管及石墨烯的生物传感器[D];天津理工大学;2019年

2 张澍;含硒环状磷钨酸晶体及钴硅钨酸/苯胺/石墨烯复合材料的制备和表征[D];天津理工大学;2019年

3 赵立;石墨烯的分散悬浮与摩擦学特征研究[D];沈阳建筑大学;2017年

4 安博星;功能化石墨烯的制备与应用研究[D];沈阳建筑大学;2017年

5 孙燕;石墨烯基纳米硫化钼复合气凝胶构筑及其吸附与析氢性能研究[D];天津理工大学;2019年

6 孟健;石墨烯基全碳3D结构的制备及其超电容性能研究[D];天津理工大学;2019年

7 沈浩德;石墨烯基复合材料的制备及其电容性能研究[D];天津理工大学;2019年

8 何济;季铵化石墨烯水凝胶的制备及其用于水过滤除菌的研究[D];天津理工大学;2019年

9 李凯;CNT@石墨烯核壳纳米结构的制备与电容性能[D];天津理工大学;2019年

10 付盼;基于石墨烯的超材料太赫兹吸收器研究[D];天津理工大学;2019年

本文编号：2873402