基于石墨烯的THz可调谐超材料器件研究

摘要

超材料，对当前国防、经济、医学等领域都产生了愈来愈广泛而深入的影响，曾被美国《科学》杂志评为过去十年人类最重大的十项科技突破之一。随着信息技术的高速发展，超材料逐渐进入了应用层面。但由于超材料的超常电磁特性主要由人工设计的有序结构单元的形状和物理尺寸决定，这就使其表现出的电磁性质被局限住。而石墨烯由于其电导率可以通过外加电压进行控制，因而非常适合用来做可调谐的THz超材料。基于此，本文提出了三种不同功能的石墨烯超材料器件，分别为吸收器、电磁诱导反射和传感器，通过CST微波工作室仿真软件进行仿真之后，得出的结果如下：　　1、基于周期性单层石墨烯结构的可调谐THz超材料吸收器，该吸收器在石墨烯取合适的费米能时，吸收率能够达到99.9％以上。而且，在不改变任何结构参数的情况下，通过调节加在石墨烯与衬底之间的电压，吸收器的吸收频率与幅度均可得到有效的调节，且调节范围较大。　　2、基于石墨烯互补结构的动态可调谐电磁诱导反射THz超材料，该结构中的暗模式是通过两种谐振器之间的近场耦合作用被激发的，从而产生了反射窗口。反射窗口可以通过改变明模式与暗模式之间的相对纵向位移，或者石墨烯的费米能控制。另外，该结构反射峰处的群延迟值比较高，因此，该结构在可调谐慢光设备、可调谐传感器和开关等领域具有潜在的应用价值。　　3、基于石墨烯互补结构的超敏感THz传感器，该结构中的反射峰带宽窄，Q值高。且通过仿真，该传感器对分析物折射率的灵敏度可以达到177.7GHz/RIU，FOM值可以达到59.3。更重要的是，石墨烯的加入不仅可以增加生物分子的吸附性，还可以在不改变结构任何参数情况下实现该传感器的动态可调。因此，该传感器为电磁诱导反射超材料在THz领域内的有机传感、生物传感提供了很好的研究思路。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2课题研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本论文的主要研究内容

第2章 石墨烯介电常数模型的建立

2.1 CST微波工作室简介

2.2仿真方法介绍

2.3石墨烯介电常数模型的建立

第3章 基于石墨烯的可调谐THz吸收器研究

3.1 引言

3.2 吸收器结构设计

3.3 仿真结果分析

3.4 吸收器工作原理介绍

3.5 本章小结

第4章 基于石墨烯互补结构的动态可调谐电磁诱导反射器件研究

4.1 引言

4.2 电磁诱导反射超材料结构设计

4.3 仿真结果分析

4.4 本章小结

第5章 基于石墨烯的可调谐THz传感器研究

5.1 引言

5.2 传感器结构设计

5.3 仿真结果分析

5.4 传感器工作原理介绍

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢