石墨烯基可调控太赫兹超材料吸波器研究

发布时间：2020-07-22 06:41

【摘要】：电磁超材料是一类具备超常电磁特性的周期性单元结构的人工复合材料,通过人为的对单元结构的几何参数的调配,从而达到远超天然材料的电磁功能。电磁超材料吸波器是电磁超材料的一个子类,因为其良好的吸波性能,在热辐射、成像和传感等领域的存在巨大潜力,受到了大量研究人员的关注。本文首先介绍了超材料吸波器的历史和现状,并着重关注于可调谐太赫兹超材料吸波器,然后基于具有优良电学性能的石墨烯设计了一种可调谐的双边带超材料吸波器和两种可调谐宽频带超材料吸波器,建立了石墨烯的电导率模型,研究了吸波器的吸波性能,并通过多角度分析了吸波器的物理吸收机制。主要的研究内容如下:本文通过激发等离子体激元多模谐振的方式,提出了基于方片型石墨烯双频带可调谐太赫兹吸波器。当石墨烯的化学势能等于0.5 eV时,该吸波器在0.90 THz和3.12 THz处达到高吸收效果。通过改变外加电压,该吸波器的吸波频率将在0.85THz到1.01 THz和2.84 THz到3.37 THz范围内调谐。其次,本文提出了基于交叉椭圆镂空型单层石墨烯宽频带可调谐太赫兹超材料吸波器。当石墨烯的化学势能等于0.5 eV时,该吸波器在1.2 THz到1.8 THz范围内达到高于80%的吸波效果。此外,高度的旋转对称性使该吸波体具备极化不敏感的特性。通过调谐外加电压,该吸波器的工作频带在0.92-1.68 THz到1.20-1.96 THz范围内实现动态调节。最后,提出了三交叉椭圆镂空型石墨烯宽频带可调谐太赫兹吸波器,工作频带进一步拓展到了1.13-1.97 THz。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441;TB34
【图文】：

左手,材料,一维,二维

图 1.2 左手材料：（a）一维左手材料；（b）二维左手材料在超材料理论研究过程中，通过对亚波长单元结构的几何参数灵活调节，料的等效介电常数和等效磁导率自由调控，达到远大于 1、小于 1 接近于 0 的程度。显然，电磁参数可以自由调控的超材料为设计具备新功能的器新的思路和方法，并在隐身技术、微小型微波器件、天线、天线罩、频率等方面的应用获得了巨大的进展[7-11]。由于超材料远超常规自然材料的奇性极大地满足了人们对于材料设计的特殊要求，一些重要领域的瓶颈得人们的生活出现改变。在传统微波器件中引入超材料，极大地改善了微波能，例如负磁导率基板天线能有效地降低天线的半波瓣宽度，提高天线的能。利用超材料设计具备传播可控的结构材料，使入射波完美透过超材料体，实现透明隐身的效果。通过超材料特殊的电磁性能可以有效降低电子的电磁干扰，使电子设备的工作更加稳定，且减少了电磁波的辐射危害，们的身体健康。随着研究工作的进一步展开，完美吸波器、隐身斗篷、完(a)(b)

吸波,材料

但是超材料内部损耗对于利用超材料设计实现高性能吸波材料提供了新的思路。超材料吸波器具有强吸收、宽频带、厚度薄、质量轻、可塑性强等优点，性能上远远优于其他吸波材料和吸波结构，由此引起了许多人的研究兴趣。同时MMA 作为一种新型的吸波材料，在传感[19]、检测[20]、调制[21]、热辐射[22]、电磁隐身[23]、成像技术[24]等相关领域也获得巨大的应用。在 2002 年，首次提出的电磁超材料吸波器结构采用的是频率选择表面（Frequency Selective Surface，简称 FSS），但是由于设计方法的繁琐并不满足于广泛的应用需求。2006 年，Bilotti[25]首先从理论上提出了超薄的超材料吸波器，它由表面的电阻板与底部周期性排列的开口谐振环阵列构成，如图 1.3（a）所示。但是，该方法的制备工艺复杂，成品的加工难度很大。直到 2008 年，Landy[26]等人构造了由表面的电谐振环（Electric ring resonator，简称 ERR）、中间介质板与底部的金属短线组成的微波段超材料完美吸波器。然后从理论和实验角度验证了超材料吸波器高效的吸波性能，如图 1.3（b）（c）所示。利用超材料的电磁耦合谐振特性，设计高水平吸收率、厚度薄、结构轻等吸波器是其的巨大亮点，引起了巨大的反响。

实验曲线,吸波,实验曲线,材料

4 几种简单的超材料吸波器结构：（a）十字形结构；（b）方片型贴片结构；（c）十字形结构在研究极化不敏感方面，设计具备 C4 旋转对称特性的超材料表面结构能极化不敏感的问题。Ma[27]等人在太赫兹（Terahertz，简称“THz”）波段方环结构设计出具备极化不敏感特性的超材料吸波器结构，通过仿真计算率分别在 2.5 THz 和 5.0 THz 超过 90%，达到了完美吸收效果，如图 1.5 究宽角度入射方面，主要关注地是当在入射角改变时，超材料吸波器仍然的吸波效果。Ye[28]等人也成功设计出一款极化不敏感且在宽入射角时仍能吸收的超材料吸波器结构，其单元结构由十字形 SRR、介质板和金属底板收频点 4.96 THz 达到 99.9%，厚度小于中心频率波长的 1/25。(c)

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