基于石墨烯--金属复合结构的太赫兹波传播特性研究

摘要

太赫兹(terahertz，THz)波在电磁波谱中处于微波和红外辐射之间，在无线通讯、物体成像和天文观测等方面表现出巨大的应用价值。但是目前能对太赫兹波实现有效操控的可调谐功能器件却十分匮乏。高品质因子的窄带共振谱线对THz波在生物样品检测、慢光器件设计和光电开关等方面的应用非常重要。基于超材料非对称结构中明态和暗态两种模式相互作用而形成的Fano共振具有损耗低和谱线尖锐等优点，能很好地满足这方面的应用需求。石墨烯具有很高的载流子迁移率，在THz波段其电导率可以随着费米能级调节而显著改变，非常适合用以制作可调谐器件。 为获得高性能的可调谐THz波导功能器件，基于石墨烯-金属（或半导体）所构成的复合结构，采用有限积分法开展了THz石墨烯调制器件的模拟设计工作，并对其调节的物理机制进行了探讨。主要研究结果如下: (1)在金属（或半导体锑化铟）超材料谐振环基础上，以整片石墨烯作为有源区，通过外加偏置电压控制其载流子浓度，模拟研究了该复合微结构的可调谐传播特性。结果表明，在锑化铟-石墨烯超材料结构中，当费米能级在0.01-0.30eV范围内变化时，共振振幅和频率的调制深度分别为26.0％和43.4％，共振谱线的品质因子最高可以达到40以上。 (2)以石墨烯微结构作为有源区，模拟研究了周期性条带结构对THz波的调节特性，并考虑了石墨烯费米能级、结构参数和工作频率的影响。结果表明，在金属-石墨烯复合条带微结构中可以观察到明显的Fano共振，透射峰值最高可达0.97，品质因子约为20。对于石墨烯-石墨烯非对称条带结构，当费米能级在0.1-1.0eV范围内变化时，Fano共振频率的调制深度可以达到60％以上。 (3)基于锑化铟的复合条带型微结构，设计了一种高品质因子的THz波调制器，并且通过掺杂、改变温度等方式对其共振谱线可以实现有效调节。结果表明，对于铜-锑化铟复合结构，当掺杂锑化铟的载流子浓度在5×1016-5×1018cm-3范围内变化时，Fano透射峰幅值的调制深度可以达到80％以上。

目录

摘要

1．1．1 THz波简介

1．1．2表面等离子激元

1．1．3超材料

1．2太赫兹石墨烯调制器简介

1．3本论文的研究意义和主要内容

第2章计算方法与内容

2．1石墨烯复电导率的计算

2．2 InSb

2．3金属

2．4 CST微波工作室简介

第3章石墨烯-金属开口环复合微结构中THz波的传播特性研究在

3．1结构模型设计

3．2结果和讨论

3．3本章小结

第4章石墨烯-金属复合光栅微结构的可调谐Fano共振效应研究

4．1结构模型设计

4．2结果和讨论

4．3本章小结

第5章基于InSb条带微结构的可调谐Fano共振效应研究

5．1结构模型设计

5．2结果和讨论

5．3本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

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