石墨烯电磁特性动态调控理论与实验研究
发布时间：2021-10-14 11:11
动态电磁调控器件具有高集成度、高效率、体积小和功能多等优点,因此成为微波工程领域的研究热点。目前,通常利用二极管、微机电系统、超材料或场效应晶体管与微波器件结合以获得对介电常数、工作频率、带宽等参数的调制,而上述这些方法通常涉及到电压高、电子元器件过多、调制能力有限等问题。为了进一步提升微波器件性能,需要不断探索新材料、新结构和新原理在动态调控器件领域的应用。针对上述问题,提出利用石墨烯材料电学性能可调的性质,通过与离子液体结合的方法实现对其方块电阻的动态调控,设计和制备了频率选择表面、天线和Salisbury屏等动态调控器件,并揭示了材料与结构特性对动态调控能力影响规律。本文主要研究成果如下:（1）提出了可以进行电调制的石墨烯/离子液体/石墨烯电容结构,通过外加偏置电压改变石墨烯方块电阻,实现对电磁波行为的动态调控。首先,对石墨烯电容结构电磁性能及其影响因素进行分析,确定了基底材料、离子液体种类以及接触电极制备方法。进一步,通过建立石墨烯电容结构等效电路,建立动态调控理论体系。这为后续动态调控器件奠定了实验与理论基础。（2）在传统频率选择表面基础上,引入石墨烯电容结构,制备了两款动态...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)重庆市
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．３四种Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ屏动态调控吸波结构１５１，５？６丨（ａ）、（ｂ）加载元器件方法；（ｃ）加??载金属单元；⑷机械拉伸施??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｆｏｕｒ?ｋｉｎｄ?ｏｆ?ｔｕｎａｂｌｅ?Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ?ｓｃｒｅｅｎｓ１５１，５４－５６１?（ａ），?（ｂ）?ｌｏａｄｉｎｇ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，?（ｃ）??
图１．４?（ａ）石墨烯结构示意图；（ｂ）三维能带结构；（ｃ）能带结构和费米能级；（ｄ）带间跃迁和??带内跃迁｜，２，６７１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?（ａ）?Ｇｒａｐｈｅｎｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，?（ｂ）?Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｅｎｅｒｇｙ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，?（ｃ）?Ｔｈｅ??
?石墨烯电磁特性动态调控理论与实验研宄???几乎是无损的，传输功率显著增加。Ｌｉｕ等制备了一种基于单层石墨烯的电??控电磁调制器，如图１．６（ｂ）所示。通过电调控石墨烯费米能级，实现了对１．３５?（ｉｍ??到１．６?ｐｍ光谱透射率调制，该有源器件面积仅为２５?ｐｍ２。Ｌｅｅ等Ｐ５％ｉｊ备一款光??电调制器，将单层石墨烯集成在亚波长厚度的反射调制器结构中，其结构如图??１．６（ｃ）所示。该器件输入电压范围为０？５?Ｖ，在波长１．５５?ｐｍ处调制幅度为１５?％，??其面积为７８５０?ｎｍ２。Ｌｕ等『１２６］提出了一种基于石墨烯的金属／介质／金属波导，??用于控制表面等离子体传播，其结构如图１．６（ｄ）所示。理论和仿真结果表明等离??子体在波导中衰减与施加在石墨烯上电压有很强的依赖关系，且在石墨烯介电常??数ＥＮＺ?（Ｅｐｓｉｌｏｎ?Ｎｅａｒ?Ｚｅｒｏ）点处衰减最大。通过在金属波导两端刻蚀电极以减小??接触电阻，等离子体消光比可达１５．８?ｄＢ，这种效应是没有刻蚀电极情况下的２．３??倍。??（ａ）?（ｂ）??Ｌａｓｅｒ?ｂｅａｍ?在??ｔｏｐ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ??Ｉ??ＣＶＤ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?？?／??（Ｃ）?（ｄ）??图１．?６红外波段基于石墨烯的动态调控器件（ａ）光学环形调制器；（ｂ）光学调制器；（ｃ）光??电调制器；（ｄ）金属纳米波导＿，１２４＾??Ｆｉｇｕｒｅ?１．６?Ｔｕｎａｂｌｅ?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ｉｎ?ｉｎｆｒａｒｅｄ?ｂａｎｄ?（ａ）?ｏｐｔｉｃａｌ?ｒｉｎｇ?ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，??（ｂ）?ｏｐｔｉｃａｌ?ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，?（ｃ）?ｅｌｅｃｔｒｏ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Electronic, optical property and carrier mobility of graphene, black phosphorus, and molybdenum disulfide based on the first principles[J]. 王聪聪,刘学胜,王智勇,赵明,何欢,邹吉跃. Chinese Physics B. 2018(11)
[2]基于人工表面等离激元的双通带频率选择结构设计[J]. 王超,李勇峰,沈杨,丰茂昌,王甲富,马华,张介秋,屈绍波. 物理学报. 2018(20)
[3]雷达吸波材料在Salisbury屏优化设计中的应用[J]. 彭泽雨,李颖,张海丰,魏桂丹,王东方,庞芳. 黑龙江工程学院学报. 2018(02)
[4]钴纳米粒子改性石墨烯复合材料的电磁性能[J]. 张海琴,徐双双,陈元,肇研. 稀有金属材料与工程. 2017(12)
[5]Graphene-supported manipulation of surface plasmon polaritons in metallic nanowaveguides[J]. HUA LU,XUETAO GAN,DONG MAO,JIANLIN ZHAO. Photonics Research. 2017(03)
[6]一种基于石墨烯的超宽带吸波器[J]. 姜彦南,王扬,葛德彪,李思敏,曹卫平,高喜,于新华. 物理学报. 2016(05)
[7]含单排线缺陷锯齿型石墨烯纳米带的电磁性质[J]. 张华林,孙琳,王鼎. 物理学报. 2016(01)
[8]有源可调微波吸收体分析与优化[J]. 戚开南,汪勇峰,侯新宇,陈军文. 北京航空航天大学学报. 2015(10)
[9]基于分形超材料吸波体的微带天线设计[J]. 商楷,曹祥玉,杨欢欢,刘涛,袁子东,赵一. 电讯技术. 2013(07)
[10]基于磁谐振器加载的宽频带超材料吸波体的设计[J]. 顾超,屈绍波,裴志斌,徐卓,柏鹏,彭卫东,林宝勤. 物理学报. 2011(08)
硕士论文
[1]基于石墨烯器件和大带宽频率选择表面的研究[D]. 许莹莹.浙江大学 2014
本文编号：3436044
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)重庆市
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．３四种Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ屏动态调控吸波结构１５１，５？６丨（ａ）、（ｂ）加载元器件方法；（ｃ）加??载金属单元；⑷机械拉伸施??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｆｏｕｒ?ｋｉｎｄ?ｏｆ?ｔｕｎａｂｌｅ?Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ?ｓｃｒｅｅｎｓ１５１，５４－５６１?（ａ），?（ｂ）?ｌｏａｄｉｎｇ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，?（ｃ）??
图１．４?（ａ）石墨烯结构示意图；（ｂ）三维能带结构；（ｃ）能带结构和费米能级；（ｄ）带间跃迁和??带内跃迁｜，２，６７１??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?（ａ）?Ｇｒａｐｈｅｎｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，?（ｂ）?Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｅｎｅｒｇｙ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，?（ｃ）?Ｔｈｅ??
?石墨烯电磁特性动态调控理论与实验研宄???几乎是无损的，传输功率显著增加。Ｌｉｕ等制备了一种基于单层石墨烯的电??控电磁调制器，如图１．６（ｂ）所示。通过电调控石墨烯费米能级，实现了对１．３５?（ｉｍ??到１．６?ｐｍ光谱透射率调制，该有源器件面积仅为２５?ｐｍ２。Ｌｅｅ等Ｐ５％ｉｊ备一款光??电调制器，将单层石墨烯集成在亚波长厚度的反射调制器结构中，其结构如图??１．６（ｃ）所示。该器件输入电压范围为０？５?Ｖ，在波长１．５５?ｐｍ处调制幅度为１５?％，??其面积为７８５０?ｎｍ２。Ｌｕ等『１２６］提出了一种基于石墨烯的金属／介质／金属波导，??用于控制表面等离子体传播，其结构如图１．６（ｄ）所示。理论和仿真结果表明等离??子体在波导中衰减与施加在石墨烯上电压有很强的依赖关系，且在石墨烯介电常??数ＥＮＺ?（Ｅｐｓｉｌｏｎ?Ｎｅａｒ?Ｚｅｒｏ）点处衰减最大。通过在金属波导两端刻蚀电极以减小??接触电阻，等离子体消光比可达１５．８?ｄＢ，这种效应是没有刻蚀电极情况下的２．３??倍。??（ａ）?（ｂ）??Ｌａｓｅｒ?ｂｅａｍ?在??ｔｏｐ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ??Ｉ??ＣＶＤ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?？?／??（Ｃ）?（ｄ）??图１．?６红外波段基于石墨烯的动态调控器件（ａ）光学环形调制器；（ｂ）光学调制器；（ｃ）光??电调制器；（ｄ）金属纳米波导＿，１２４＾??Ｆｉｇｕｒｅ?１．６?Ｔｕｎａｂｌｅ?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｂａｓｅｄ?ｏｎ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ｉｎ?ｉｎｆｒａｒｅｄ?ｂａｎｄ?（ａ）?ｏｐｔｉｃａｌ?ｒｉｎｇ?ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，??（ｂ）?ｏｐｔｉｃａｌ?ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，?（ｃ）?ｅｌｅｃｔｒｏ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Electronic, optical property and carrier mobility of graphene, black phosphorus, and molybdenum disulfide based on the first principles[J]. 王聪聪,刘学胜,王智勇,赵明,何欢,邹吉跃. Chinese Physics B. 2018(11)
[2]基于人工表面等离激元的双通带频率选择结构设计[J]. 王超,李勇峰,沈杨,丰茂昌,王甲富,马华,张介秋,屈绍波. 物理学报. 2018(20)
[3]雷达吸波材料在Salisbury屏优化设计中的应用[J]. 彭泽雨,李颖,张海丰,魏桂丹,王东方,庞芳. 黑龙江工程学院学报. 2018(02)
[4]钴纳米粒子改性石墨烯复合材料的电磁性能[J]. 张海琴,徐双双,陈元,肇研. 稀有金属材料与工程. 2017(12)
[5]Graphene-supported manipulation of surface plasmon polaritons in metallic nanowaveguides[J]. HUA LU,XUETAO GAN,DONG MAO,JIANLIN ZHAO. Photonics Research. 2017(03)
[6]一种基于石墨烯的超宽带吸波器[J]. 姜彦南,王扬,葛德彪,李思敏,曹卫平,高喜,于新华. 物理学报. 2016(05)
[7]含单排线缺陷锯齿型石墨烯纳米带的电磁性质[J]. 张华林,孙琳,王鼎. 物理学报. 2016(01)
[8]有源可调微波吸收体分析与优化[J]. 戚开南,汪勇峰,侯新宇,陈军文. 北京航空航天大学学报. 2015(10)
[9]基于分形超材料吸波体的微带天线设计[J]. 商楷,曹祥玉,杨欢欢,刘涛,袁子东,赵一. 电讯技术. 2013(07)
[10]基于磁谐振器加载的宽频带超材料吸波体的设计[J]. 顾超,屈绍波,裴志斌,徐卓,柏鹏,彭卫东,林宝勤. 物理学报. 2011(08)
硕士论文
[1]基于石墨烯器件和大带宽频率选择表面的研究[D]. 许莹莹.浙江大学 2014
本文编号：3436044
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