石墨烯超表面電磁特性及功能器件的研究.pdf

1、電磁超材料(Metamaterial)是由經特殊設計亞波長微納結構單元經過合理的排布構成的新型人工材料，打破了傳統(tǒng)材料固有的局限，能獲得常規(guī)材料不具備或者難以實現(xiàn)的物理特性，為人們在微納尺度上靈活操控電磁波提供有效的技術手段。超表面(Metasurface)是二維平面超材料，是超材料近年來最新的研究方向和重要分支。由于其具有微型化、平板可集成化等優(yōu)點，已成為學術研究的熱點。
　　現(xiàn)有的金屬超表面具有天然的歐姆損耗，且在器件成型后不

2、能動態(tài)調節(jié)，難以滿足在靈活調控電磁波方面的需求。尋求動態(tài)可控的超表面，擴大其應用范圍，成為了學術界的研究焦點。近年來，學者們相繼提出利用液晶、微波開關、微電機系統(tǒng)等其它具有可變電磁響應的材料和技術來動態(tài)操控電磁波的傳播，但由于其存在系統(tǒng)復雜、調控范圍窄等缺點，在一定程度上限制了器件應用范圍。石墨烯擁有獨特的光電特性，僅需通過調節(jié)費米能級就能靈活改變電磁參數(shù)，在動態(tài)電磁調控方面顯示了巨大的潛能。石墨烯和超表面的完美結合無疑為動態(tài)電磁調控技

3、術提供了新思路，為新型可控功能器件的研究與設計開辟了嶄新的方向。
　　本文圍繞石墨烯超表面的電磁特性展開研究，著重對石墨烯超表面在可調諧功能器件中的應用進行研究，主要工作如下：
　　(1)設計、研究了工作范圍在20-40 THz的中紅外波段的單頻、雙頻線極化轉換器。對于單頻極化器而言，在22.541 THz處，該轉換器的轉換效率可達99.38%。對于雙頻極化器而言，當頻率為30.47 THz和33.137 THz時，其轉換效

4、率分別達到96.31%和95.12%。通過改變石墨烯的費米能級，能在較寬頻帶范圍內實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)的同時保持較高的極化轉換率。
　　(2)設計、研究了工作于太赫茲頻段的單頻、雙頻和寬頻帶吸波器。利用不同尺寸超表面結構上下級聯(lián)的方式，吸收率為90%以上的帶寬相比于單層吸波器擴大了三倍。所設計的吸波器同樣可以通過改變石墨烯的費米能級來實現(xiàn)頻率的動態(tài)調控。同時，引入了表面電流及z向電場分布分析了其吸波機理。當TE與TM模式波以較大的斜入射角