基于碳纳米材料的谐振器与天线研究

摘要

随着电子信息系统朝高传输速率、多功能化和高集成化的方向迅猛发展,电子器件的工作频率不断升高、尺寸不断变小已成为必然的技术趋势。但是电子器件的性能极大地依赖于其电磁材料的特性,而随着工作频率的提高,传统金属材料趋肤效应日益明显,欧姆损耗急剧增大;器件缩小到纳米尺度后,材料显现纳米效应甚至量子效应,功耗增加,自热效应严重,热稳定性和可靠性降低。这些问题已成为限制电子系统高频工作和小型化集成的关键技术瓶颈。如何在有限空间内实现可靠的高性能滤波器和天线,已成为了一个亟待解决的问题。
　　碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料是解决这一问题的潜在选择。碳纳米材料具有极其优异的电磁、热和力学特性。其中,金属性碳纳米材料的电阻率低,高频时受趋肤效应影响小,电流承载能力强;当其用于构成小型化无源器件时,比传统电磁材料能提供更高的品质因数和工作效率、较低的损耗,并且碳纳米材料中存在多种可调谐的工作机理,非常适合于构造可调谐器件。本文将对基于碳纳米材料的高性能谐振器与可切换高阻表面开展了系统性的创新研究。
　　本文首先简要介绍了关于碳纳米材料的基本理论,叙述了与本文相关的量子电子学以及纳米电子学的相关概念与知识,完成对碳纳米材料基本电特性的建模。在碳纳米管基本电特性的基础上,针对现有模型不够完善的地方进行了精确建模,并基于此设计了单壁碳纳米管集束和多壁碳纳米管的太赫兹高性能谐振器,研究了结构参数对谐振器性能的影响,其无载品质因数可以达到200以上,比类似尺寸类似工作频段的传统金属谐振器高出了一个数量级。谐振器的温漂特性也做了相应的研究。之后,对碳纳米管的非线性特性做出了系统研究,并在此基础上提出了对碳纳米管谐振器进行调谐的思路。然后,在平面掺杂石墨烯物理特性的基础上,研究了其压控电导率,并设计了基于此特性的可切换高阻表面,然后将此表面应用于一个太赫兹天线基中,实现了天线的方向图可重构。

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第1章绪论

1.1. 碳纳米材料简介

1.2. 碳纳米材料的制备及器件工艺

1.3. 碳纳米材料电子能带

1.4. 研究碳纳米器件的必要性

1.5. 碳纳米材料研究现状

1.6. 本文的研究内容和结构

参考文献

第2章基本理论

2.1 弹道输运的基本理论

2.2 平均自由程

2.3等效电阻

2.4动态电感

2.5量子电容

2.6碳纳米管的等效电路

2.7从玻尔兹曼输运方程出发的电路参数解释

2.8石墨烯的最小电导率

2.9石墨烯平面的表面等离子激元

参考文献

第3章基于碳纳米管的高性能谐振器

3.1 研究背景

3.2 单壁碳纳米管集束谐振器

3.3 多壁碳纳米管谐振器

3.4 本章小结及展望

参考文献

第4章碳纳米管谐振器的非线性与调谐

4.1 碳纳米管谐振器的非线性特性

4.2 碳纳米管谐振器的调谐

4.3 本章小结及展望

参考文献

第5章 碳纳米材料天线

5.1 研究背景

5.2 石墨烯高阻表面的设计

5.3 石墨烯高阻表面在可重构天线中的应用

5.4 碳纳米管集束天线

5.5 本章小结及展望

参考文献

第6章 总结与展望

致谢

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