電磁吸收在諸如太陽(yáng)能電池、生物傳感、電磁隱身和熱發(fā)射等許多應(yīng)用中扮演著重要角色。基于太赫茲波段的超材料,由于其在諧振頻率處有很大的損耗能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波振幅、相位以及偏振態(tài)的調(diào)控,這使得它逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料成為制作吸收器的必備品。然而,超材料吸收器的吸收效率及工作波長(zhǎng)是由它們的結(jié)構(gòu)所決定,難以主動(dòng)控制,極大地妨礙了它們的進(jìn)一步發(fā)展,例如調(diào)制和光開關(guān)領(lǐng)域。在這種局限下,研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯這種材料可以通過電摻雜等方式改變光學(xué)特性即可以通過改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)而改變其等離子體頻率,這一特性使得其在克服上述局限和動(dòng)態(tài)吸收方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年來,相干完美吸收技術(shù)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)光吸收的可調(diào)性提供了一種新思路,通常被解釋為由于兩束反向傳播的相干波的干涉會(huì)在有損耗材料中的完全光吸收。迄今為止,大量結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了完美的相干吸收,主要包括金屬-絕緣體-金屬和全介電超表面。然而,許多相干完美吸收器只能在單一波段頻率下工作,這在諸如太陽(yáng)能電池這樣的寬帶應(yīng)用中是有限的。因此,對(duì)于多波段的相干完美吸收的研究具有重要意義。本論文主要基于石墨烯這種超表面材料的費(fèi)米能級(jí)的調(diào)控研究了單絕緣層、多絕緣層和不同尺寸下單絕緣層結(jié)構(gòu)的... 

【文章來源】：四川師范大學(xué)四川省

【文章頁(yè)數(shù)】：56 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

Landy首次提出的超材料吸收器（a）整體單元結(jié)構(gòu)（b）吸收、投射和反射曲線（c）

四川師范大學(xué)碩士學(xué)位論文2為了克服傳統(tǒng)電磁材料帶來的局限，我們?cè)O(shè)計(jì)較薄的超材料來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)控，在吸收器等光學(xué)器件中具有重要意義。圖1.2列舉了部分超材料的樣品圖，利用電磁超材料可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)電磁波性能的調(diào)控，從而可獲得一些奇特的性質(zhì)，例如負(fù)折射率、電磁隱身以及完美透鏡等，并研制出許多相應(yīng)的功能器件，例如光激發(fā)材料[21]、光譜濾光器[22-24]、高雙折射復(fù)合材料[25]、超薄吸收器[26-29]、梯度相位表面[30]和透鏡[31]。因此、大量以超材料為基礎(chǔ)的吸收器件展現(xiàn)了對(duì)THz波段的完美吸收，我們稱之為THz超材料吸收器[32-37]。對(duì)于這一類超材料吸收器，通常等效用磁導(dǎo)率和介電常數(shù)來表示吸收機(jī)理及效果[38-40]。但最初這些材料大多數(shù)是以金屬為主體設(shè)計(jì)的，也就存在金屬吸收損耗[41]。此外，吸收器中的襯底也就是介質(zhì)絕緣層或者金屬與金屬之間同樣會(huì)產(chǎn)生對(duì)入射波的吸收效果，這些損耗的存在大大降低了超材料器件的工作性能，因此去除或者減弱這些損耗是很有必要的。以金屬為主要基底的吸收器，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的靈活性收到了極大地限制，吸收效率和工作波長(zhǎng)由最初的結(jié)構(gòu)決定，一旦吸收器的結(jié)構(gòu)完成，它們大多只能在預(yù)先設(shè)計(jì)好的特定頻率下工作，損害了其作為吸收調(diào)制器的性能，以上不足大大制約了吸收器的發(fā)展[42,43]。圖1.2部分超材料的樣品圖隨著科研人員的不斷努力，目前一般有對(duì)應(yīng)的三種方法解決這一問題。一、我們可以用優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方式減少損耗。二、通過增益材料來彌補(bǔ)超材料結(jié)構(gòu)的吸收損耗。三、目前最常用、最方便的就是選用低損失的材料來代替高損失的材料。將超材料概念進(jìn)行延伸，電磁超表面自身厚度遠(yuǎn)小于其波長(zhǎng)，可以當(dāng)做是一種二維人工超材料，因?yàn)槠渚哂?

1引言3圖1.3單層石墨烯的結(jié)構(gòu)圖示意圖石墨烯是一種新型二維納米材料，由單層碳原子組成構(gòu)成六角形晶格[44]。自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)A.K.Geim等教授用微機(jī)械剝離法從石墨中分離出石墨烯并證明其能穩(wěn)定存在于自然界中[45]，它就引起了人們的廣泛關(guān)注和研究。最近的一些文章已經(jīng)證實(shí)，各向異性的超表面和石墨烯的巧妙結(jié)合可以獲得多種獨(dú)特的電磁特性，例如低損耗、高電子遷移率等、其中通過電摻雜改變光學(xué)特性最為科研人員重視[46,47]。石墨烯的電導(dǎo)率分為帶內(nèi)躍遷和帶間躍遷，實(shí)驗(yàn)論證及理論推導(dǎo)均表明：在太赫茲及遠(yuǎn)紅外區(qū)域，帶內(nèi)躍遷占主導(dǎo)地位，而在近紅外和可見光區(qū)域則將石墨烯的導(dǎo)電率近似看成帶間躍遷這一部分[48,49]。石墨烯吸收器一旦制備完成，對(duì)于帶內(nèi)躍遷部分，其余參數(shù)固定不變。但我們可以通過外加電場(chǎng)的方式，人為的對(duì)石墨烯費(fèi)米能級(jí)進(jìn)行控制，在太赫茲波段，意味著對(duì)電導(dǎo)率即吸收峰的調(diào)控。因此石墨烯可以被認(rèn)為是設(shè)計(jì)電磁吸收器件的良好候選材料。目前，有關(guān)石墨烯吸收器的理論研究逐漸成為熱點(diǎn)。SukosinThongrattanasiri等人于2012年利用入射光激發(fā)石墨烯表面的等離子基元共振的機(jī)理[50]，提出了基于圓盤形石墨烯的吸收器實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的吸收作用，如圖1.4（a）所示，仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)吸收率大于90％的頻率范圍可從1.18-2.96THz到2.26-3.85THz，吸收帶寬達(dá)2.1THz。2017年，廣西精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的陳明、孫偉等人提出了一類石墨烯外圈嵌套一個(gè)由介電材料包裹的十字形諧振器[51]、而金屬薄膜是置于底部的吸收器，它能在太赫茲范圍內(nèi)對(duì)入射電磁波進(jìn)行有效吸收。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)費(fèi)米能量固定在0.85eV時(shí)，在3.12THz時(shí)，單頻吸收器的吸收率達(dá)到99.49%。雙頻吸收器可可同時(shí)工作于兩個(gè)頻率，?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]基于石墨烯的THz可調(diào)諧超材料器件研究[D]. 張秦飛.哈爾濱理工大學(xué) 2016



本文編號(hào)：2953704