基于狄拉克半金属太赫兹超材料的传感和吸波机理研究

摘要

太赫兹（Terahertz，THz）波因有低光子能量、高穿透性、瞬态性等诸多优良特性而受到人们的广泛关注，其在无线通信、医疗卫生、成像技术、安全检测等领域极具应用潜力。然而，有效材料的缺乏极大的限制了THz技术的发展。三维（3D）狄拉克半金属（也称3D石墨烯）是一种全新的量子材料，但与石墨烯相比，它不易受介电环境干扰、表面没有过剩电子，且具有更高的载流子迁移率，其在太赫兹光学器件的研究中具有独特的优势。本文主要针对基于狄拉克半金属的传感与吸波机理进行了研究。
　　本文的主要研究的内容和结论概述如下：
　　1.基于明模-暗模耦合方法，通过构建经典π型超材料结构来实现电磁诱导透明（Electromagnetically induced transparency,EIT）光学现象，并讨论了其在折射率传感方面的特性。研究表明，沿电场偏振方向放置的狄拉克半金属条可被入射光直接激发，因此可视为明模；沿电场偏振方向垂直放置的狄拉克半金属条不能被入射光激发，因此视为暗模，且明暗模之间的相消干涉诱导出EIT现象。通过分析待测物折射系数对光谱频移特性的影响，研究了所提EIT超材料在传感方面的应用，仿真结果表明该结构的品质因数值达10.99。最后通过调节狄拉克半金属的费米能级来实现对EIT窗口的动态调节。
　　2.设计并研究了三种互补狄拉克半金属超材料结构，通过不断优化结构的尺寸寻找到最佳结构参数。仿真结果表明，三种互补结构分别在6.19THz（互补十字型），8.08THz（互补切条），6.11THz（互补圆型）处达到完美吸收。讨论了所设计结构的偏振无关特性，并运用多重反射理论研究了其物理机理并证明了模拟方法的可行性。最后通过调节狄拉克半金属的费米能级，实现了对吸收谱的动态调节。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪论

1.1 太赫兹技术简述

1.1.1 太赫兹波的简介

1.1.2 太赫兹技术的研究及应用方向

1.2 三维狄拉克半金属概述

1.3 超材料简介及应用

1.4 吸波体及电磁诱导透明的传感器研究进展

1.4.1 超材料吸波体研究简介

1.4.2 电磁诱导透明及传感器研究进展

1.5 研究内容及意义

2 理论研究基础

2.1 三维狄拉克半金属的表面电导率

2.2 干涉理论

2.3 CST微波工作室简介

2.4 本章小结

3 基于狄拉克半金属超材料传感器的研究

3.1 模型及材料参数

3.2 电磁诱导透明窗口分析

3.3 传感特性研究

3.4 本章小结

4 基于三维狄拉克半金属互补超材料吸波体的研究

4.1 互补十字形可调太赫兹吸波体的研究

4.1.1 结构模型

4.1.2 计算结果与分析

4.1.3 吸波机理分析

4.2 互补长方形可调太赫兹吸波体的研究

4.2.1 结构模型

4.2.2 计算结果分析

4.3 互补圆形可调太赫兹太赫兹吸波体的研究

4.3.1 结构模型

4.3.2 仿真结果及分析

4.4 三种互补结构狄拉克半金属吸波体的比较

4.5 本章小结

5 总结与展望

参考文献

硕士期间主要成果

参与的项目

致 谢