石墨烯對電磁波調(diào)控機(jī)理及應(yīng)用研究.pdf

1、近來來，石墨烯作為一種二維碳材料正在吸引著國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究熱潮。由于這種新型材料具備特異屬性，其在電子、材料、物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。本文從電磁學(xué)角度出發(fā)，研究了石墨烯的可調(diào)控特征，并進(jìn)一步利用此特征探索了基于表面波與空間波類型的電磁功能器件設(shè)計(jì)機(jī)理與典型應(yīng)用案例。本文的主要工作及其創(chuàng)新點(diǎn)概括如下幾點(diǎn):
　　1.系統(tǒng)分析、概括了石墨烯及其結(jié)構(gòu)不同的加工制備方法，總結(jié)了各種方法在應(yīng)用上適合的場景，以

2、及各種方法對應(yīng)電磁參數(shù)的大致取值范圍，這些工作奠定了石墨烯實(shí)用化的基礎(chǔ)。
　　2.全面分析了石墨烯全頻段電磁特性，基于此探討了不同工作頻率條件下的石墨烯電磁參數(shù)表示方法。總結(jié)了石墨烯不同的調(diào)控手段，并根據(jù)調(diào)控效率指出了當(dāng)前設(shè)計(jì)基于石墨烯的電磁器件最有效的調(diào)控技術(shù)的發(fā)展方向。
　　3.回顧了石墨烯支持的表面波模式，并著重介紹了TM模式表面波的傳播特性，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了石墨烯邊緣模式的表面波，分析對比了兩種邊緣模式，并討

3、論了兩種模式的各自特點(diǎn)。
　　4.基于石墨烯表面波提出了幾種典型的電磁器件，利用石墨烯納米條帶上邊緣模式表面波的干涉特性、耦合特性、諧振特性研究了邏輯門、平面、立體諧振環(huán)。a）.通過調(diào)節(jié)石墨烯條帶的長度，石墨烯偶邊緣模式表面波能夠有效相干相消或者相干增強(qiáng)，并且設(shè)計(jì)的邏輯門（異或門、同或門）比傳統(tǒng)的介質(zhì)、金屬結(jié)構(gòu)要更加緊湊;b）.通過求解超越方程得到石墨烯圓環(huán)的本征模式，并通過石墨烯直條帶將能量耦合到圓環(huán)上，展示了這種平面諧振環(huán)具有

4、明顯的通、阻帶作用，并且諧振譜可以通過石墨烯的化學(xué)勢調(diào)控，基于此進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種四狀態(tài)開關(guān);c）.在本課題組之前的研究基礎(chǔ)之上，本文進(jìn)一步展示了石墨烯與傳統(tǒng)的金屬材料對表面波束縛的差異，即便是將石墨烯條帶彎曲成360°其仍然能夠支持傳播表面波，并使用石墨烯直條帶可以將電磁信號耦合到這種立體環(huán)結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了與平面結(jié)構(gòu)類似的頻譜特性。
　　5.回顧并總結(jié)了石墨烯與空間波的相互作用形式，從石墨烯本身與電磁波的作用比較微弱的角度開始闡述，

5、逐步深入地探討了若干種增強(qiáng)相互作用的結(jié)構(gòu)。
　　6.在對石墨烯與空間波作用機(jī)理理解的基礎(chǔ)之上，分別提出了以下幾種電磁器件應(yīng)用案例:a）.石墨烯調(diào)控Fabry-Pérot諧振腔可以實(shí)現(xiàn)對反射波的幅度和相位進(jìn)行有效控制，其中相位在三個(gè)工作頻點(diǎn)附近的變化范圍分別達(dá)到了310°、260°、215°，根據(jù)這三個(gè)頻點(diǎn)的變化范圍針對性地設(shè)計(jì)了三種不同的陣列排布方法，實(shí)現(xiàn)了對反射波束的有效控制;b）.研究了一種石墨烯與介質(zhì)棒的復(fù)合非諧振結(jié)構(gòu)，這種

6、復(fù)合結(jié)構(gòu)在宏觀上的等效電磁參數(shù)具有可調(diào)控特性，例如，在25THz處，等效折射率可以在1～2范圍內(nèi)變化，數(shù)值仿真結(jié)果證明，這種結(jié)構(gòu)可以作為“數(shù)字超材料”的“比特單元”，并演示了異常透射、龍伯透鏡、電磁“黑洞”案例;c）.研究了一種石墨烯互補(bǔ)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有與對應(yīng)的正結(jié)構(gòu)類似的頻譜特征，兩者的諧振機(jī)理予以細(xì)致分析對比，本文提出的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)結(jié)合石墨烯的調(diào)控方法，具有一致調(diào)控的優(yōu)勢;d）提出了一種石墨烯雙回結(jié)構(gòu)微波吸波器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)

7、印制在柔性材料上，并在上下層之間填充電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)對石墨烯的高效調(diào)控，在石墨烯表面阻抗達(dá)到60Ω/sq時(shí)候，可以在5～20GHz寬帶范圍實(shí)現(xiàn)吸收效率90％以上的吸波效果。
　　本文的相關(guān)研究成果已發(fā)表在國際知名期刊IEEE Photonics Technology Letters,Plasmonics,Journal of Physics D:Applied Physics、Europhysics Letters,其中第一作者四篇;國

8、際會議International Symposium on Antennas and Propagation、Progress In Electromagnetics Research Symposium、Asia-Pacific Microwave Conference，其中第一作者兩篇。截止目前發(fā)表的文章被引用次數(shù)達(dá)到40(google scholar)。這些研究成果在一定程度上促進(jìn)了中國在石墨烯電磁學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的研究步伐，對未來在此領(lǐng)