太赫茲波段碳納米管宏觀體輻射研究.pdf

1、由于其直徑小、強度高、韌度大等優(yōu)點,碳納米管在納米系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。強載流能力及優(yōu)越的導(dǎo)電性能,使其能夠作為信息發(fā)射及接收裝置,來實現(xiàn)宏觀系統(tǒng)與納米系統(tǒng)之間的高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸。但一直以來,由于碳納米管具有量子力學(xué)特性,所以不能利用傳統(tǒng)的計算軟件來對其進(jìn)行仿真研究,同時其阻抗高、生長不穩(wěn)定,因而限制了碳納米管在電磁領(lǐng)域的發(fā)展。為了從本質(zhì)上對碳納米管的電磁特性進(jìn)行分析,本文從量子力學(xué)理論和電磁理論兩方面出發(fā),對碳納米管的散射特性以及由其

2、所構(gòu)成的天線的輻射特性進(jìn)行了理論分析及數(shù)值計算,得到了碳納米管散射寬度的變化規(guī)律以及天線的空間電流分布、遠(yuǎn)場電場等,為其在光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天線等領(lǐng)域應(yīng)用提供了可靠的理論基礎(chǔ)。
　　本文的研究內(nèi)容主要分兩大部分,分別為碳納米管在平面波激勵下的散射特性以及碳納米管偶極子天線的輻射特性。
　　首先,本文基于 Mie散射理論,并結(jié)合由量子力學(xué)理論推導(dǎo)得出的碳納米管電導(dǎo)率表達(dá)式與邊界條件,推導(dǎo)得出了單壁碳納米管在不同極化、不同入射角度

3、電磁波激勵下的散射場、透射場以及散射寬度的半解析表達(dá)式,并將計算結(jié)果與已有的實驗結(jié)果進(jìn)行比較,驗證了利用Mie散射理論來分析碳納米管散射特性的有效性。計算結(jié)果表明,當(dāng) TMz極化的歸一化平面波以任意角入射到碳納米管上時,能夠產(chǎn)生諧振頻率達(dá)到太赫茲波段的反射電磁場;當(dāng) TEz極化的歸一化平面波以60°-120°之間任意角入射到碳納米管上時,能夠產(chǎn)生諧振頻率達(dá)到近紅外波段的反射電磁波。
　　其次,由于單壁碳納米管的輻射效率過低,本文對

4、多壁碳納米管在TMz極化波垂直入射下的散射特性進(jìn)行了計算,并對不同層數(shù)的碳納米管的散射寬度進(jìn)行了比較分析。研究結(jié)果表明,增加碳納米管的層數(shù)可以有效地提高碳納米管天線的輻射效率,并且對輻射波頻率影響不大。
　　第三,針對實際應(yīng)用中較少單獨使用碳納米管,且碳納米管天線的輻射特性不理想的情況,本文提出并建立了7個由碳納米管和電介質(zhì)組成的模型,該模型涵蓋了兩種材料的所有組合形式。進(jìn)一步,通過 Mie散射理論,計算了碳納米管、不同電介質(zhì)組合

5、的電磁特性,并將所得結(jié)果進(jìn)行對比,從理論上驗證了可以通過互相加載的方式,來提高電介質(zhì)器件的材料特性以及碳納米管器件的輻射特性。同時,也為碳納米管在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基本的理論依據(jù)。
　　第四,由于碳納米管具有微觀特性,很難利用宏觀電磁仿真軟件對碳納米管天線的輻射特性進(jìn)行研究,為了解決此問題,本文首先結(jié)合碳納米管的微觀量子特性,建立了由兩根碳納米管組成的傳輸線的等效電路模型,根據(jù)電路理論以及傳輸線理論,得到了在無損耗以及低損耗