中红外波段石墨烯超构材料的手性可调谐研究

摘要

超构材料因为具有高性能、小型化、可集成等特点，已经受到了越来越多业内人士的关注。手性超构材料是一种其自身结构与其镜像不能通过旋转、平移而互相重合，只能通过翻转才能互相重合的人工材料。当电磁波射入这种手性结构材料上时，电场和磁场会发生交叉耦合，从而实现旋光效应等光学现象。虽然地球上某些自然存在物质也具有手性，但是手性很弱且难以控制，所以就要通过超构材料来实现较强的手性性质并通过某些手段实现可调谐。在这里需要强调的是，不仅手性材料可以实现手性性质，通过某些手段非手性材料也可以实现手性性质，比如将光线倾斜入射至非手性超构材料上，该非手性超构材料就能表现出手性性质。本论文在中红外波段设计了石墨烯非手性超构材料以及二维石墨烯手性超构材料两种结构的材料，且分别实现了对手性性质的可调谐。主要工作概括如下: (1)设计了一种非手性超构材料。结构本身不具有手性性质，通过将平面电磁波倾斜入射到该结构上能够实现外置三维手性性质。当结构中没有石墨烯时，该结构就能表现出圆二向色性以及圆的双折射现象，透射和反射的圆二向色性在频率为47THz时有最大值，最大值分别为0.3和0.57;透射和反射的圆的双折射现象在频率为48THz时有最大值，最大值分别为50°和20°。当覆加上石墨烯后，该结构的圆二向色性、圆双折射线性会有一个蓝移，强度也有一定的改变。设计好石墨烯非手性超构材料的基本参数后，通过改变石墨烯材料的费米能级、入射电磁波的倾斜角度以及介质层厚度等分别实现了该超构材料的圆二向色性以及圆的双折射的可调谐现象。同时，通过大量的计算发现，该非手性超构材料对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收情况存在最大30％的差异。 (2)设计了一种具有平面手性的超构材料。因为该结构本身具有二维手性性质，所以当圆偏振光垂直入射至该结构上时，该结构就能对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光表现出非对称传输现象，非对称传输系数最大能够达到0.14。随着石墨烯的费米能级从0.3eV增大到0.9eV，非对称传输的极值频率蓝移了5THz左右，非对称传输系数值几乎不变。为了实现三维手性性质即旋光效应，将圆偏振光倾斜入射至此二维手性超构材料上。通过改变石墨烯材料的费米能级、入射电磁波的倾斜角度以及介质层厚度分别实现了该超构材料的非对称传输、圆二向色性以及圆的双折射现象的可调谐特性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1超构材料的概述

1．2手性性质及手性超构材料

1．2．1三维手性性质旋光效应现象及其发展现状

1．2．2二维手性性质非对称传输现象及其发展现状

1．3石墨烯材料的概述

1．4本论文的研究目的和主要内容

第2章手性超构材料和石墨烯超构材料的理论基础及分析方法

2．1手性超构材料的电磁理论

2．1．1手性超构材料的理论研究

2．1．2手性超构材料的本征方程

2．2旋光效应及非对称传输理论分析

2．2．1旋光效应的理论分析

2．2．2非对称传输理论分析

2．3石墨烯的电调谐特性

2．3．1石墨烯复介电常数

2．3．2石墨烯的电调谐特性

2．4超构材料的电磁仿真概述

2．5本章小结

第3章基于石墨烯非手性超构材料旋光效应的可调谐研究

3．1引言

3．2非手性石墨烯超构材料的旋光效应

3．2．1无石墨烯的非手性超构材料的旋光效应

3．2．2费米能级为0．7eV时非手性石墨烯超构材料的旋光效应

3．2．3不同费米能级下非手性石墨烯超构材料的旋光效应

3．2．4不同入射角度下非手性石墨烯超构材料的旋光效应

3．3 改变石墨烯的位置后手性超构材料的旋光效应

3．3．1石墨烯与金属分居于介质两侧的非手性超构材料的旋光效应

3．3．2不同介质层厚度下非手性超构材料的旋光效应

3．4本章小结

第4章基于二维石墨烯手性超构材料的手性可调谐研究

4．1引言

4．2二维手性超构材料的非对称传输现象

4．2．1无石墨烯的二维手性超构材料的非对称传输现象

4．2．2不同费米能级下二维手性石墨烯超构材料非对称传输现象

4．3二维手性超构材料的旋光效应

4．3．1无石墨烯的二维手性超构材料的旋光效应

4．3．2不同费米能级下二维手性石墨烯超构材料的旋光效应

4．3．3不同开口角度下二维手性石墨烯超构材料的旋光效应

4．3．4不同入射角度下二维手性石墨烯超构材料的旋光效应

4．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢