本文關(guān)鍵詞：超材料電磁共振及調(diào)控機(jī)理研究　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：電磁現(xiàn)象源于電磁波與物質(zhì)之間的相互作用。利用自然界物質(zhì),我們可以操縱電磁波的各種特性,例如方向、強(qiáng)度和偏振等。然而,由自然界物質(zhì)構(gòu)建的一些傳統(tǒng)光學(xué)元器件的性能和功能并不總能夠滿足我們的需求,甚至是無法實(shí)現(xiàn)的。最重要的原因不是由于當(dāng)前計(jì)算機(jī)水平或工藝技術(shù)達(dá)不到要求造成的,而是自然界物質(zhì)電磁性質(zhì)可選擇的范圍非常有限的原因所致。近年來,超材料作為一種新型的、電磁特性可任意設(shè)計(jì)的人工光學(xué)材料,它不僅能夠顯著提升傳統(tǒng)光學(xué)元器件性能的同時(shí),而且會(huì)大大拓展元器件功能的可設(shè)計(jì)空間。本論文研究了超材料的電磁共振機(jī)理,并對(duì)其調(diào)控機(jī)理進(jìn)行了深入地探討。主要研究?jī)?nèi)容和成果包括以下幾方面:(1)通過Lorentz模型和Drude理論模型分析了自然界物質(zhì)(介質(zhì)、金屬和摻雜半導(dǎo)體)電磁響應(yīng)的機(jī)理及其介電特性;接著,在此基礎(chǔ)上引入了人工材料(超材料)的概念,并討論了提取人工材料電磁特性參數(shù)的基本方法。(2)利用超材料彈簧振子模型研究了超材料的電磁特性,包括電磁共振波長(zhǎng)和電磁共振響應(yīng)強(qiáng)度特性。結(jié)果表明:超材料共振波長(zhǎng)與自由電子在超材料單元結(jié)構(gòu)中的有效行程有關(guān),而電磁共振強(qiáng)度與單元結(jié)構(gòu)中自由電子濃度以及由電磁波引起的電勢(shì)差有關(guān)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了常見結(jié)構(gòu)類型二維超材料的電磁共振特性,驗(yàn)證了超材料彈簧振子模型的正確性,并提出了一種二維半導(dǎo)體超材料。研究了開口諧振環(huán)這類典型結(jié)構(gòu)超材料的電共振響應(yīng)特性和磁共振響應(yīng)特性,及其光學(xué)各向異性的性質(zhì)。(3)對(duì)常用于研究三維超材料介電特性的理論和方法進(jìn)行了總結(jié)和推導(dǎo)。研究并探討了三維顆粒型超材料和三維層狀型超材料的介電特性。在此基礎(chǔ)上,提出了一種微米尺寸的偏振無關(guān)全半導(dǎo)體光路板光濾波片,還設(shè)計(jì)出了一種厚度僅為0.58μm的雙超材料四分之一波片。(4)從調(diào)控機(jī)理的角度對(duì)現(xiàn)有報(bào)道的可調(diào)控型二維超材料進(jìn)行了重新梳理和分類,并提出了一些性能優(yōu)化方案以及一種新型的可調(diào)控型二維半導(dǎo)體超材料。除此以外,針對(duì)目前三維超材料電磁性能調(diào)控研究的空白,我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種電可調(diào)控型三維層狀型半導(dǎo)體超材料,并研究了其調(diào)控性能。結(jié)果表明:相比現(xiàn)有的電可調(diào)控型二維超材料,電可調(diào)控型三維層狀型半導(dǎo)體超材料的性能更加優(yōu)越。這些研究成果在為今后更深入研究超材料電磁共振機(jī)理提供基礎(chǔ)的同時(shí),也為二維超材料和三維超材料元器件的設(shè)計(jì)、制備、新功能開發(fā)以及性能優(yōu)化提供了指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB34;O441
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本文編號(hào)：1307874