本文關(guān)鍵詞：基于石墨烯的太赫茲輻射理論及方法研究

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【摘要】：太赫茲波是波長(zhǎng)介于0.03mm~3mm,相應(yīng)頻率介于0.1~10THz之間的電磁波,是連接電子學(xué)與光子學(xué)的關(guān)鍵波段,在科學(xué)技術(shù)上具有突出的應(yīng)用價(jià)值。石墨烯作為一種新型的二維單晶材料,是目前物理科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn),石墨烯以其優(yōu)異的光學(xué)耦合、電子輸運(yùn)、電磁學(xué)和其它新奇的性質(zhì)而備受青睞。石墨烯具有眾多的新穎物理現(xiàn)象和應(yīng)用潛能,其中在THz科學(xué)上的應(yīng)用前景尤為廣闊。由于本身電子和空穴無(wú)間隙的線性能級(jí)結(jié)構(gòu)使得石墨烯在THz頻段擁有很好的負(fù)電導(dǎo)率特性以及可作為T(mén)Hz源和放大的材料。本文研究的主要內(nèi)容包括:闡述了基于石墨烯太赫茲輻射的物理機(jī)制,對(duì)石墨烯表面等離子體、Cherenkov輻射和光子晶體的傳輸特性三個(gè)相關(guān)部分做了必要討論。對(duì)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹和分析,選用直接求解Maxwell方程組的方法解決Cherenkov輻射問(wèn)題,對(duì)比了時(shí)域有限差分法、平面波展開(kāi)法和傳輸矩陣法,優(yōu)選傳輸矩陣法來(lái)計(jì)算光子晶體能帶結(jié)構(gòu)。分析了石墨烯的電磁特征、電子束的移動(dòng)速度、以及光子晶體的空間結(jié)構(gòu)對(duì)輻射頻率的影響。其中石墨烯的費(fèi)米能級(jí)與石墨烯表面等離子體的頻率成正比,調(diào)節(jié)光子晶體的填充率可獲得7~18THz的調(diào)頻范圍,而調(diào)節(jié)電子束的移動(dòng)速度能獲得8.8~9.4THz的調(diào)頻范圍。從能量守恒的角度出發(fā),闡述了輻射能量來(lái)自于電子束能量損耗的機(jī)制,并由此對(duì)輻射能量進(jìn)行了數(shù)值求解。當(dāng)υ/c=0.0432時(shí),輻射能量達(dá)到最大,若取電子束的電荷密度ρ=100pC/cm,輻射能量可達(dá)到10-3μJ/cm2量級(jí)。
【關(guān)鍵詞】：太赫茲 石墨烯 Cherenkov輻射 光子晶體
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O441.4;O613.71
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-19
• 1.1 課題背景9-15
• 1.1.1 太赫茲波及其應(yīng)用9-10
• 1.1.2 太赫茲波的產(chǎn)生方法10-12
• 1.1.3 基于石墨烯的太赫茲源研究進(jìn)展12-15
• 1.2 石墨烯的基礎(chǔ)知識(shí)15-17
• 1.2.1 石墨烯簡(jiǎn)介15-16
• 1.2.2 石墨烯的制備16-17
• 1.3 論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)17-19
• 第二章 石墨烯表面等離子體的電磁特性19-27
• 2.1 石墨烯的原子結(jié)構(gòu)19-21
• 2.2 石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)21-23
• 2.3 石墨烯的表面等離子體色散曲線23-25
• 2.4 本章小結(jié)25-27
• 第三章 Cherenkov輻射基本原理27-37
• 3.3 Cherenkov輻射概述27
• 3.4 求解Cherenkov輻射場(chǎng)的方法27-32
• 3.4.1 Green函數(shù)法27-30
• 3.4.2 Maxwell方程法30-32
• 3.5 Cherenkov輻射能流密度32-33
• 3.6 色散介質(zhì)中的Cherenkov輻射33-36
• 3.6.1 頻率色散介質(zhì)中的Cherenkov輻射33-35
• 3.6.2 空間色散介質(zhì)中的Cherenkov輻射35-36
• 3.7 本章小結(jié)36-37
• 第四章 基于石墨烯的太赫茲輻射源37-52
• 4.1 光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算37-45
• 4.1.1 時(shí)域有限差分法37-39
• 4.1.2 平面波展開(kāi)法39-41
• 4.1.3 傳輸矩陣法41-45
• 4.2 輻射模型45-50
• 4.2.1 普通硅質(zhì)基底模型45-47
• 4.2.2 光子晶體基底模型47-50
• 4.3 輻射能量50-51
• 4.4 本章小結(jié)51-52
• 第五章 總結(jié)與展望52-53
• 參考文獻(xiàn)53-57
• 發(fā)表論文和科研情況說(shuō)明57-58
• 致謝58-59

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