基于石墨烯超表面相干完美吸收的特性研究
发布时间：2021-01-02 21:48
电磁吸收在诸如太阳能电池、生物传感、电磁隐身和热发射等许多应用中扮演着重要角色。基于太赫兹波段的超材料,由于其在谐振频率处有很大的损耗能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,这使得它逐渐代替传统材料成为制作吸收器的必备品。然而,超材料吸收器的吸收效率及工作波长是由它们的结构所决定,难以主动控制,极大地妨碍了它们的进一步发展,例如调制和光开关领域。在这种局限下,研究人员发现石墨烯这种材料可以通过电掺杂等方式改变光学特性即可以通过改变石墨烯的费米能级而改变其等离子体频率,这一特性使得其在克服上述局限和动态吸收方面具有独特的优势。近年来,相干完美吸收技术的出现为实现光吸收的可调性提供了一种新思路,通常被解释为由于两束反向传播的相干波的干涉会在有损耗材料中的完全光吸收。迄今为止,大量结构实现了完美的相干吸收,主要包括金属-绝缘体-金属和全介电超表面。然而,许多相干完美吸收器只能在单一波段频率下工作,这在诸如太阳能电池这样的宽带应用中是有限的。因此,对于多波段的相干完美吸收的研究具有重要意义。本论文主要基于石墨烯这种超表面材料的费米能级的调控研究了单绝缘层、多绝缘层和不同尺寸下单绝缘层结构的...
【文章来源】：四川师范大学四川省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Landy首次提出的超材料吸收器（a）整体单元结构（b）吸收、投射和反射曲线（c）
四川师范大学硕士学位论文2为了克服传统电磁材料带来的局限，我们设计较薄的超材料来实现对电磁波的调控，在吸收器等光学器件中具有重要意义。图1.2列举了部分超材料的样品图，利用电磁超材料可以在很大程度上实现电磁波性能的调控，从而可获得一些奇特的性质，例如负折射率、电磁隐身以及完美透镜等，并研制出许多相应的功能器件，例如光激发材料[21]、光谱滤光器[22-24]、高双折射复合材料[25]、超薄吸收器[26-29]、梯度相位表面[30]和透镜[31]。因此、大量以超材料为基础的吸收器件展现了对THz波段的完美吸收，我们称之为THz超材料吸收器[32-37]。对于这一类超材料吸收器，通常等效用磁导率和介电常数来表示吸收机理及效果[38-40]。但最初这些材料大多数是以金属为主体设计的，也就存在金属吸收损耗[41]。此外，吸收器中的衬底也就是介质绝缘层或者金属与金属之间同样会产生对入射波的吸收效果，这些损耗的存在大大降低了超材料器件的工作性能，因此去除或者减弱这些损耗是很有必要的。以金属为主要基底的吸收器，其介电常数和磁导率的灵活性收到了极大地限制，吸收效率和工作波长由最初的结构决定，一旦吸收器的结构完成，它们大多只能在预先设计好的特定频率下工作，损害了其作为吸收调制器的性能，以上不足大大制约了吸收器的发展[42,43]。图1.2部分超材料的样品图随着科研人员的不断努力，目前一般有对应的三种方法解决这一问题。一、我们可以用优化结构的方式减少损耗。二、通过增益材料来弥补超材料结构的吸收损耗。三、目前最常用、最方便的就是选用低损失的材料来代替高损失的材料。将超材料概念进行延伸，电磁超表面自身厚度远小于其波长，可以当做是一种二维人工超材料，因为其具有
1引言3图1.3单层石墨烯的结构图示意图石墨烯是一种新型二维纳米材料，由单层碳原子组成构成六角形晶格[44]。自英国曼彻斯特大学A.K.Geim等教授用微机械剥离法从石墨中分离出石墨烯并证明其能稳定存在于自然界中[45]，它就引起了人们的广泛关注和研究。最近的一些文章已经证实，各向异性的超表面和石墨烯的巧妙结合可以获得多种独特的电磁特性，例如低损耗、高电子迁移率等、其中通过电掺杂改变光学特性最为科研人员重视[46,47]。石墨烯的电导率分为带内跃迁和带间跃迁，实验论证及理论推导均表明：在太赫兹及远红外区域，带内跃迁占主导地位，而在近红外和可见光区域则将石墨烯的导电率近似看成带间跃迁这一部分[48,49]。石墨烯吸收器一旦制备完成，对于带内跃迁部分，其余参数固定不变。但我们可以通过外加电场的方式，人为的对石墨烯费米能级进行控制，在太赫兹波段，意味着对电导率即吸收峰的调控。因此石墨烯可以被认为是设计电磁吸收器件的良好候选材料。目前，有关石墨烯吸收器的理论研究逐渐成为热点。SukosinThongrattanasiri等人于2012年利用入射光激发石墨烯表面的等离子基元共振的机理[50]，提出了基于圆盘形石墨烯的吸收器实现了对光的吸收作用，如图1.4（a）所示，仿真结果表明，该结构吸收率大于90％的频率范围可从1.18-2.96THz到2.26-3.85THz，吸收带宽达2.1THz。2017年，广西精密导航技术与应用重点实验室的陈明、孙伟等人提出了一类石墨烯外圈嵌套一个由介电材料包裹的十字形谐振器[51]、而金属薄膜是置于底部的吸收器，它能在太赫兹范围内对入射电磁波进行有效吸收。仿真结果显示，当费米能量固定在0.85eV时，在3.12THz时，单频吸收器的吸收率达到99.49%。双频吸收器可可同时工作于两个频率，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于石墨烯结合亚波长金属结构的太赫兹宽带动态吸收器[J]. 顾钰,王民,蒲明博,胡承刚,罗先刚. 光电工程. 2016(01)
[2]Principles of electromagnetic waves in metasurfaces[J]. LUO XianGang. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(09)
[3]石墨烯等离激元的光学性质及其应用前景[J]. 杨晓霞,孔祥天,戴庆. 物理学报. 2015(10)
[4]基于阻抗匹配条件的树枝状超材料吸收器[J]. 张燕萍,赵晓鹏,保石,罗春荣. 物理学报. 2010(09)
[5]太赫兹真空电子器件的研究现状及其发展评述[J]. 王明红,薛谦忠,刘濮鲲. 电子与信息学报. 2008(07)
硕士论文
[1]基于石墨烯的THz可调谐超材料器件研究[D]. 张秦飞.哈尔滨理工大学 2016
本文编号：2953704
【文章来源】：四川师范大学四川省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Landy首次提出的超材料吸收器（a）整体单元结构（b）吸收、投射和反射曲线（c）
四川师范大学硕士学位论文2为了克服传统电磁材料带来的局限，我们设计较薄的超材料来实现对电磁波的调控，在吸收器等光学器件中具有重要意义。图1.2列举了部分超材料的样品图，利用电磁超材料可以在很大程度上实现电磁波性能的调控，从而可获得一些奇特的性质，例如负折射率、电磁隐身以及完美透镜等，并研制出许多相应的功能器件，例如光激发材料[21]、光谱滤光器[22-24]、高双折射复合材料[25]、超薄吸收器[26-29]、梯度相位表面[30]和透镜[31]。因此、大量以超材料为基础的吸收器件展现了对THz波段的完美吸收，我们称之为THz超材料吸收器[32-37]。对于这一类超材料吸收器，通常等效用磁导率和介电常数来表示吸收机理及效果[38-40]。但最初这些材料大多数是以金属为主体设计的，也就存在金属吸收损耗[41]。此外，吸收器中的衬底也就是介质绝缘层或者金属与金属之间同样会产生对入射波的吸收效果，这些损耗的存在大大降低了超材料器件的工作性能，因此去除或者减弱这些损耗是很有必要的。以金属为主要基底的吸收器，其介电常数和磁导率的灵活性收到了极大地限制，吸收效率和工作波长由最初的结构决定，一旦吸收器的结构完成，它们大多只能在预先设计好的特定频率下工作，损害了其作为吸收调制器的性能，以上不足大大制约了吸收器的发展[42,43]。图1.2部分超材料的样品图随着科研人员的不断努力，目前一般有对应的三种方法解决这一问题。一、我们可以用优化结构的方式减少损耗。二、通过增益材料来弥补超材料结构的吸收损耗。三、目前最常用、最方便的就是选用低损失的材料来代替高损失的材料。将超材料概念进行延伸，电磁超表面自身厚度远小于其波长，可以当做是一种二维人工超材料，因为其具有
1引言3图1.3单层石墨烯的结构图示意图石墨烯是一种新型二维纳米材料，由单层碳原子组成构成六角形晶格[44]。自英国曼彻斯特大学A.K.Geim等教授用微机械剥离法从石墨中分离出石墨烯并证明其能稳定存在于自然界中[45]，它就引起了人们的广泛关注和研究。最近的一些文章已经证实，各向异性的超表面和石墨烯的巧妙结合可以获得多种独特的电磁特性，例如低损耗、高电子迁移率等、其中通过电掺杂改变光学特性最为科研人员重视[46,47]。石墨烯的电导率分为带内跃迁和带间跃迁，实验论证及理论推导均表明：在太赫兹及远红外区域，带内跃迁占主导地位，而在近红外和可见光区域则将石墨烯的导电率近似看成带间跃迁这一部分[48,49]。石墨烯吸收器一旦制备完成，对于带内跃迁部分，其余参数固定不变。但我们可以通过外加电场的方式，人为的对石墨烯费米能级进行控制，在太赫兹波段，意味着对电导率即吸收峰的调控。因此石墨烯可以被认为是设计电磁吸收器件的良好候选材料。目前，有关石墨烯吸收器的理论研究逐渐成为热点。SukosinThongrattanasiri等人于2012年利用入射光激发石墨烯表面的等离子基元共振的机理[50]，提出了基于圆盘形石墨烯的吸收器实现了对光的吸收作用，如图1.4（a）所示，仿真结果表明，该结构吸收率大于90％的频率范围可从1.18-2.96THz到2.26-3.85THz，吸收带宽达2.1THz。2017年，广西精密导航技术与应用重点实验室的陈明、孙伟等人提出了一类石墨烯外圈嵌套一个由介电材料包裹的十字形谐振器[51]、而金属薄膜是置于底部的吸收器，它能在太赫兹范围内对入射电磁波进行有效吸收。仿真结果显示，当费米能量固定在0.85eV时，在3.12THz时，单频吸收器的吸收率达到99.49%。双频吸收器可可同时工作于两个频率，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于石墨烯结合亚波长金属结构的太赫兹宽带动态吸收器[J]. 顾钰,王民,蒲明博,胡承刚,罗先刚. 光电工程. 2016(01)
[2]Principles of electromagnetic waves in metasurfaces[J]. LUO XianGang. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(09)
[3]石墨烯等离激元的光学性质及其应用前景[J]. 杨晓霞,孔祥天,戴庆. 物理学报. 2015(10)
[4]基于阻抗匹配条件的树枝状超材料吸收器[J]. 张燕萍,赵晓鹏,保石,罗春荣. 物理学报. 2010(09)
[5]太赫兹真空电子器件的研究现状及其发展评述[J]. 王明红,薛谦忠,刘濮鲲. 电子与信息学报. 2008(07)
硕士论文
[1]基于石墨烯的THz可调谐超材料器件研究[D]. 张秦飞.哈尔滨理工大学 2016
本文编号：2953704
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