石墨烯超表面電磁特性及功能器件的研究.pdf

1、電磁超材料(Metamaterial)是由經(jīng)特殊設(shè)計(jì)亞波長微納結(jié)構(gòu)單元經(jīng)過合理的排布構(gòu)成的新型人工材料，打破了傳統(tǒng)材料固有的局限，能獲得常規(guī)材料不具備或者難以實(shí)現(xiàn)的物理特性，為人們?cè)谖⒓{尺度上靈活操控電磁波提供有效的技術(shù)手段。超表面(Metasurface)是二維平面超材料，是超材料近年來最新的研究方向和重要分支。由于其具有微型化、平板可集成化等優(yōu)點(diǎn)，已成為學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。
　　現(xiàn)有的金屬超表面具有天然的歐姆損耗，且在器件成型后不

2、能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，難以滿足在靈活調(diào)控電磁波方面的需求。尋求動(dòng)態(tài)可控的超表面，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，成為了學(xué)術(shù)界的研究焦點(diǎn)。近年來，學(xué)者們相繼提出利用液晶、微波開關(guān)、微電機(jī)系統(tǒng)等其它具有可變電磁響應(yīng)的材料和技術(shù)來動(dòng)態(tài)操控電磁波的傳播，但由于其存在系統(tǒng)復(fù)雜、調(diào)控范圍窄等缺點(diǎn)，在一定程度上限制了器件應(yīng)用范圍。石墨烯擁有獨(dú)特的光電特性，僅需通過調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)就能靈活改變電磁參數(shù)，在動(dòng)態(tài)電磁調(diào)控方面顯示了巨大的潛能。石墨烯和超表面的完美結(jié)合無疑為動(dòng)態(tài)電磁調(diào)控技

3、術(shù)提供了新思路，為新型可控功能器件的研究與設(shè)計(jì)開辟了嶄新的方向。
　　本文圍繞石墨烯超表面的電磁特性展開研究，著重對(duì)石墨烯超表面在可調(diào)諧功能器件中的應(yīng)用進(jìn)行研究，主要工作如下：
　　(1)設(shè)計(jì)、研究了工作范圍在20-40 THz的中紅外波段的單頻、雙頻線極化轉(zhuǎn)換器。對(duì)于單頻極化器而言，在22.541 THz處，該轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)99.38%。對(duì)于雙頻極化器而言，當(dāng)頻率為30.47 THz和33.137 THz時(shí)，其轉(zhuǎn)換效

4、率分別達(dá)到96.31%和95.12%。通過改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，能在較寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的同時(shí)保持較高的極化轉(zhuǎn)換率。
　　(2)設(shè)計(jì)、研究了工作于太赫茲頻段的單頻、雙頻和寬頻帶吸波器。利用不同尺寸超表面結(jié)構(gòu)上下級(jí)聯(lián)的方式，吸收率為90%以上的帶寬相比于單層吸波器擴(kuò)大了三倍。所設(shè)計(jì)的吸波器同樣可以通過改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)來實(shí)現(xiàn)頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)控。同時(shí)，引入了表面電流及z向電場分布分析了其吸波機(jī)理。當(dāng)TE與TM模式波以較大的斜入射角