碳纳米管天线辐射太赫兹波理论研究

摘要

太赫兹波是频率从O.ITHz—IOTHz内的电磁辐射,目前太赫兹技术的发展也显示了其优越的应用前景。在太赫兹辐射源的研究中,大功率、便携式、小型化的太赫兹辐射源对太赫兹技术的应用和推广具有重要的意义。和已有太赫兹辐射源材料相比,碳纳米管材料作为新型纳米材料的代表,许多国内外科研工作人员研究了碳纳米管材料在太赫兹波段的特性,碳纳米管在太赫兹辐射源方面有着广泛的应用前景。本文则通过分析碳纳米管材料的电子能级及其电磁辐射特性,研究了碳纳米管天线辐射太赫兹波理论。具体的工作如下:
　　(1)介绍了太赫兹辐射源当前的现状及其碳纳米管物理性质。目前作为太赫兹辐射源产生的研究方法来说,主要有光学方法和电子学方法,分别对两种太赫兹源辐射方法做了具体的阐述。碳纳米管材料作为纳米材料的代表之一,具有优秀的物理电学性质,主要针对碳纳米管研究发展历程及其光电性质作了具体的阐述和分析。
　　(2)碳纳米管作为碳元素的一种同素异构体,自从发现以来一直得到许多科研工作者的关注。论文从碳纳米管基本的电子能结构出发,研究了碳纳米管的电子输运性质。碳纳米管可以认为是由石墨层卷曲而成,利用石墨结构的构造,给出了单壁碳纳米管的结构模型;其次给出了碳纳米管的电子能级表达式及其半导体性和导体性质的微观依据;最后给出单壁碳纳米管的等效电路图:分别可以用电阻、电感和电容等物理量来表示。
　　(3)目前,光电导天线产生太赫兹波辐射的方法已经应用于其他光电导材料。本文研究了碳纳米管光电导天线辐射太赫兹波理论。在碳纳米管偶极天线中,由碳纳米管材料的半导体性质,在两个电极之间产生一个电容器结构,并存储了静电势能。如果激光照射在碳纳米管半导体电极的间隙时,当光子的能量大于碳纳米管半导体能隙,在激光照射的区域就会产生光生载流子。在两电极所加的直流偏置电场作用下加速运动,载流子在产生复合的过程中会有电磁波的产生,当辐射频率在太赫兹频段时,就形成太赫兹波脉冲辐射。
　　(4)通过碳纳米管光混频器的天线阻抗、电导和外加偏压的分析,在小信号输入功率条件下,理论上对输出功率做了模拟计算。通过和低温砷化镓材料的参数对比,给出了碳纳米管材料作为光混频器的优势所在:具有高的载流子迁移率和天线匹配阻抗,在同样的条件下输出太赫兹功率提高了至少一个数量级,且随着阻抗增大,输出功率还有增大的趋势;光混频器的电导的大小不仅和输入光功率有关,还和碳纳米管材料的管径、管长以及墼个器件的结构有关;在击穿电压3.6V范围内,当天线阻抗为150Ω时碳纳米管光混频器的输出功率能够达到21μW附近。

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1绪论

1.1引言

1.2太赫兹波技术概述

1.3 碳纳米管的概述

1.4 碳纳米管天线的国内外主要研究进展

1.5本文的主要工作内容

1.6本章小结

2碳纳米管电子能级结构的分析

2.1单壁碳纳米管的原子结构

2.2碳纳米管的电子能级结构

2.3单壁碳纳米管的等效电路模型

2.4本章小结

3外场作用下碳纳米管天线的辐射理论研究

3.1碳纳米管天线脉冲太赫兹波产生

3.2碳纳米管天线连续太赫兹波产生

3.3本章小结

4碳纳米管天线输出太赫兹波的模拟计算与分析

4.1模拟与分析

4.2本章小结

5结论和展望

5.1研究工作总结

5.2进一步工作展望

致谢

参考文献