基于石墨烯的可调太赫兹波器件研究

发布时间：2017-04-25 17:21

  本文关键词：基于石墨烯的可调太赫兹波器件研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近些年来,太赫兹波辐射源与检测技术的突飞猛进使得太赫兹波相关功能器件研究的成为最新热点。石墨烯是一种具有优异电子性质与晶体品质的二维材料,它可调的电导率、禁带宽度、等离子振荡等特性使其成为设计太赫兹波可调器件的理想材料。本文研究分析了石墨烯腔体结构的太赫兹波滤波器、石墨烯圆环结构的太赫兹波开关、开口石墨烯圆环阵列结构的太赫兹波开关、石墨烯条带结构的太赫兹波功分器四种器件性能。主要研究工作如下:1.设计了基于石墨烯腔体结构的可调太赫兹波滤波器。该滤波器由硅基底、二氧化硅层、矩形石墨烯波导和四个石墨烯腔体组成。通过调节四个正方形石墨烯腔体的化学势能来控制太赫兹波传输率。仿真结果表明,当四个正方形石墨烯腔体的化学势能从0.04e V变化到0.12e V时,当频率为6THz时,太赫兹波信号传输率从0.002变化到了0.930,该滤波器的品质因数为1714,切换响应时间为5.0ms。2.设计了基于石墨烯圆环结构的太赫兹波开关,开关由三个石墨烯圆环,两个石墨烯条带以及聚甲基丙烯酸甲酯材料构成。通过调节中间石墨烯圆环的化学势能,进而有效控制太赫兹波的通断。分析结果表明,当中间石墨烯圆环的化学势能从0e V变化到0.2e V时,在频率为7THz时开关的消光比从0.59d B增大到26.99d B,开关响应速度为1.23ms。3.设计了基于开口石墨烯圆环阵列结构的太赫兹波开关。开关由一个矩形石墨烯条带和三个开口石墨烯圆环组成,矩形石墨烯条带以及三个开口石墨烯圆环均嵌在聚甲基丙烯酸甲酯中。通过调节三个开口石墨烯圆环的化学势能控制太赫兹波信号的通断。仿真结果表明,当开口石墨烯圆环的化学势能从0.1e V变化到0.2e V时,在工作频率为9THz,开关的消光比从30d B变到1d B,响应时间为1.91ms。4.设计了基于石墨烯条带结构的可调太赫兹波功分器。它由五根石墨烯条带嵌在一个聚甲基丙烯酸甲酯中而成。太赫兹波从石墨烯条带的左端输入,通过石墨烯条带之间的耦合最终从两个输出端口输出。通过调节两个中石墨烯条带的化学势能,实现太赫兹波从输出端口1与输出端口2的特定比值输出。仿真结果表明,当频率为7THz,在μc1=0e V,μc2=0e V时,输出端口1与输出端口2的太赫兹波传输率为1:1;当μc1=0.035e V,μc2=0e V,输出端口1与输出端口2输出太赫兹波传输率为1:3;当μc1=0.1e V,μc2=0e V,太赫兹波从输出端口2输出;而当μc1=0e V,μc2=0.1e V,太赫兹波从输出端口1输出。功分器的隔离度高达39.86d B,响应时间为2.1ms。
【关键词】：太赫兹波 石墨烯 表面等离子体 可调器件
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN626;TN713
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 绪论14-25
• 1.1 太赫兹波及相关器件简介14-17
• 1.2 石墨烯的理论基础17-24
• 1.2.1 石墨烯材料参数特性18-19
• 1.2.2 石墨烯可调性实现方法19-21
• 1.2.3 石墨烯表面等离子体激元理论分析21-24
• 1.3 论文研究内容及章节安排24-25
• 2 基于石墨烯的可调太赫兹波器件研究25-55
• 2.1 基于石墨烯腔体结构的可调太赫兹波滤波器25-32
• 2.1.1 器件结构及工作原理25-27
• 2.1.2 仿真结果与分析27-31
• 2.1.3 小结31-32
• 2.2 基于石墨烯圆环结构的太赫兹波开关32-38
• 2.2.1 器件结构设计32
• 2.2.2 石墨烯圆环与石墨烯条带耦合分析32-34
• 2.2.3 仿真结果与分析34-37
• 2.2.4 小结37-38
• 2.3 基于开口石墨烯圆环阵列结构的太赫兹波开关38-48
• 2.3.1 器件结构设计38
• 2.3.2 波导-开口谐振环耦合分析38-41
• 2.3.3 仿真结果与分析41-46
• 2.3.4 小结46-48
• 2.4 基于石墨烯条带结构的可调太赫兹波功分器研究48-55
• 2.4.1 器件结构设计48
• 2.4.2 石墨烯条带基本耦合模型特性48-49
• 2.4.3 仿真结果与分析49-54
• 2.4.4 小结54-55
• 3 总结55-56
• 参考文献56-60
• 作者简历60

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