基于時(shí)域有限差分法的石墨烯器件仿真算法.pdf

1、石墨烯(Graphene)作為一種二維納米材料，其奇特的物理特性激發(fā)了它在物理化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，石墨烯電池、石墨烯天線、石墨烯表面等離子體(Graphene Plasmatic)器件等都慢慢走入人們的視線。但受到制備及檢測(cè)工藝的限制，石墨烯器件的研制和性能測(cè)量需要借助于相當(dāng)復(fù)雜的納米制造和測(cè)量實(shí)現(xiàn)。利用電磁仿真算法實(shí)現(xiàn)基于石墨烯的電磁器件的仿真與設(shè)計(jì)已成為目前亟待解決的問題之一。
　　本文的研究分別從表征石墨烯電磁響應(yīng)的等效介

2、電常數(shù)和表面導(dǎo)電率出發(fā)，利用矢量擬合(vector fitting)方法得到的復(fù)共軛極點(diǎn)留數(shù)模型將石墨烯的電磁響應(yīng)參數(shù)有效的耦合到Maxwell方程中，應(yīng)用時(shí)域有限差分方法（finite-difference time-domainmethod，F(xiàn)DTD）解決了不同頻段和不同環(huán)境參數(shù)下石墨烯器件的電磁仿真問題。
　　首先，本文簡(jiǎn)要討論了時(shí)域有限差分法，通過賦予石墨烯一定的厚度實(shí)現(xiàn)了復(fù)共軛極點(diǎn)留數(shù)模型表示石墨烯介電常數(shù)的矢量擬合方法

3、，通過輔助微分方程法將其與FDTD仿真方法相結(jié)合，推出一種基于復(fù)共軛極點(diǎn)留數(shù)模型的石墨烯FDTD仿真方法。結(jié)合該方法，本文創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)并仿真了太赫茲波段下的兩種基于石墨烯的可調(diào)帶隙光子晶體結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，石墨烯的加入拓寬了光子晶體的光子帶隙，為該結(jié)構(gòu)帶來可調(diào)光子帶隙的性質(zhì)。利用解析理論驗(yàn)證了算法的正確性。
　　其次，對(duì)石墨烯的等效介電常數(shù)進(jìn)行擬合和仿真的方法受制于較小的空間步長(zhǎng)剖分，將使得計(jì)算機(jī)內(nèi)存需求過高、計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)。為解

4、決這一問題，本文詳細(xì)討論了三種應(yīng)用于不同波段的表面電導(dǎo)率模型（非頻變表面電導(dǎo)模型、Drude模型和矢量擬合模型），利用電磁場(chǎng)歐姆定律將石墨烯的這幾種導(dǎo)電率模型耦合到Maxwell方程中，并通過FDTD方法獲得石墨烯上的表面電流分布，進(jìn)而求解石墨烯器件的電磁響應(yīng)，解決了基于等效介電常數(shù)模型的石墨烯FDTD仿真方法的不足。
　　最后，本文運(yùn)用基于歐姆定律的石墨烯器件FDTD仿真方法，有效仿真了石墨烯法布里-珀羅吸波器，石墨烯光柵結(jié)構(gòu)、