基于石墨烯的太赫兹辐射理论及方法研究

发布时间：2017-09-09 01:50

  本文关键词：基于石墨烯的太赫兹辐射理论及方法研究

  更多相关文章： 太赫兹 石墨烯 Cherenkov辐射 光子晶体

【摘要】：太赫兹波是波长介于0.03mm~3mm,相应频率介于0.1~10THz之间的电磁波,是连接电子学与光子学的关键波段,在科学技术上具有突出的应用价值。石墨烯作为一种新型的二维单晶材料,是目前物理科学和材料科学领域研究的重点,石墨烯以其优异的光学耦合、电子输运、电磁学和其它新奇的性质而备受青睐。石墨烯具有众多的新颖物理现象和应用潜能,其中在THz科学上的应用前景尤为广阔。由于本身电子和空穴无间隙的线性能级结构使得石墨烯在THz频段拥有很好的负电导率特性以及可作为THz源和放大的材料。本文研究的主要内容包括:阐述了基于石墨烯太赫兹辐射的物理机制,对石墨烯表面等离子体、Cherenkov辐射和光子晶体的传输特性三个相关部分做了必要讨论。对数值模拟的方法进行了详细介绍和分析,选用直接求解Maxwell方程组的方法解决Cherenkov辐射问题,对比了时域有限差分法、平面波展开法和传输矩阵法,优选传输矩阵法来计算光子晶体能带结构。分析了石墨烯的电磁特征、电子束的移动速度、以及光子晶体的空间结构对辐射频率的影响。其中石墨烯的费米能级与石墨烯表面等离子体的频率成正比,调节光子晶体的填充率可获得7~18THz的调频范围,而调节电子束的移动速度能获得8.8~9.4THz的调频范围。从能量守恒的角度出发,阐述了辐射能量来自于电子束能量损耗的机制,并由此对辐射能量进行了数值求解。当υ/c=0.0432时,辐射能量达到最大,若取电子束的电荷密度ρ=100pC/cm,辐射能量可达到10-3μJ/cm2量级。
【关键词】：太赫兹 石墨烯 Cherenkov辐射 光子晶体
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O441.4;O613.71
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 课题背景9-15
• 1.1.1 太赫兹波及其应用9-10
• 1.1.2 太赫兹波的产生方法10-12
• 1.1.3 基于石墨烯的太赫兹源研究进展12-15
• 1.2 石墨烯的基础知识15-17
• 1.2.1 石墨烯简介15-16
• 1.2.2 石墨烯的制备16-17
• 1.3 论文的主要内容和创新点17-19
• 第二章 石墨烯表面等离子体的电磁特性19-27
• 2.1 石墨烯的原子结构19-21
• 2.2 石墨烯的能带结构21-23
• 2.3 石墨烯的表面等离子体色散曲线23-25
• 2.4 本章小结25-27
• 第三章 Cherenkov辐射基本原理27-37
• 3.3 Cherenkov辐射概述27
• 3.4 求解Cherenkov辐射场的方法27-32
• 3.4.1 Green函数法27-30
• 3.4.2 Maxwell方程法30-32
• 3.5 Cherenkov辐射能流密度32-33
• 3.6 色散介质中的Cherenkov辐射33-36
• 3.6.1 频率色散介质中的Cherenkov辐射33-35
• 3.6.2 空间色散介质中的Cherenkov辐射35-36
• 3.7 本章小结36-37
• 第四章 基于石墨烯的太赫兹辐射源37-52
• 4.1 光子晶体能带结构的计算37-45
• 4.1.1 时域有限差分法37-39
• 4.1.2 平面波展开法39-41
• 4.1.3 传输矩阵法41-45
• 4.2 辐射模型45-50
• 4.2.1 普通硅质基底模型45-47
• 4.2.2 光子晶体基底模型47-50
• 4.3 辐射能量50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 总结与展望52-53
• 参考文献53-57
• 发表论文和科研情况说明57-58
• 致谢58-59

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本文编号：817596