石墨烯對電磁波調(diào)控機理及應用研究.pdf

1、近來來，石墨烯作為一種二維碳材料正在吸引著國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注和研究熱潮。由于這種新型材料具備特異屬性，其在電子、材料、物理、化學、生物醫(yī)學等學科展現(xiàn)了廣闊的應用前景。本文從電磁學角度出發(fā)，研究了石墨烯的可調(diào)控特征，并進一步利用此特征探索了基于表面波與空間波類型的電磁功能器件設(shè)計機理與典型應用案例。本文的主要工作及其創(chuàng)新點概括如下幾點:
　　1.系統(tǒng)分析、概括了石墨烯及其結(jié)構(gòu)不同的加工制備方法，總結(jié)了各種方法在應用上適合的場景，以

2、及各種方法對應電磁參數(shù)的大致取值范圍，這些工作奠定了石墨烯實用化的基礎(chǔ)。
　　2.全面分析了石墨烯全頻段電磁特性，基于此探討了不同工作頻率條件下的石墨烯電磁參數(shù)表示方法。總結(jié)了石墨烯不同的調(diào)控手段，并根據(jù)調(diào)控效率指出了當前設(shè)計基于石墨烯的電磁器件最有效的調(diào)控技術(shù)的發(fā)展方向。
　　3.回顧了石墨烯支持的表面波模式，并著重介紹了TM模式表面波的傳播特性，在此基礎(chǔ)上，進一步研究了石墨烯邊緣模式的表面波，分析對比了兩種邊緣模式，并討

3、論了兩種模式的各自特點。
　　4.基于石墨烯表面波提出了幾種典型的電磁器件，利用石墨烯納米條帶上邊緣模式表面波的干涉特性、耦合特性、諧振特性研究了邏輯門、平面、立體諧振環(huán)。a）.通過調(diào)節(jié)石墨烯條帶的長度，石墨烯偶邊緣模式表面波能夠有效相干相消或者相干增強，并且設(shè)計的邏輯門（異或門、同或門）比傳統(tǒng)的介質(zhì)、金屬結(jié)構(gòu)要更加緊湊;b）.通過求解超越方程得到石墨烯圓環(huán)的本征模式，并通過石墨烯直條帶將能量耦合到圓環(huán)上，展示了這種平面諧振環(huán)具有

4、明顯的通、阻帶作用，并且諧振譜可以通過石墨烯的化學勢調(diào)控，基于此進一步設(shè)計了一種四狀態(tài)開關(guān);c）.在本課題組之前的研究基礎(chǔ)之上，本文進一步展示了石墨烯與傳統(tǒng)的金屬材料對表面波束縛的差異，即便是將石墨烯條帶彎曲成360°其仍然能夠支持傳播表面波，并使用石墨烯直條帶可以將電磁信號耦合到這種立體環(huán)結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)了與平面結(jié)構(gòu)類似的頻譜特性。
　　5.回顧并總結(jié)了石墨烯與空間波的相互作用形式，從石墨烯本身與電磁波的作用比較微弱的角度開始闡述，

5、逐步深入地探討了若干種增強相互作用的結(jié)構(gòu)。
　　6.在對石墨烯與空間波作用機理理解的基礎(chǔ)之上，分別提出了以下幾種電磁器件應用案例:a）.石墨烯調(diào)控Fabry-Pérot諧振腔可以實現(xiàn)對反射波的幅度和相位進行有效控制，其中相位在三個工作頻點附近的變化范圍分別達到了310°、260°、215°，根據(jù)這三個頻點的變化范圍針對性地設(shè)計了三種不同的陣列排布方法，實現(xiàn)了對反射波束的有效控制;b）.研究了一種石墨烯與介質(zhì)棒的復合非諧振結(jié)構(gòu)，這種

6、復合結(jié)構(gòu)在宏觀上的等效電磁參數(shù)具有可調(diào)控特性，例如，在25THz處，等效折射率可以在1～2范圍內(nèi)變化，數(shù)值仿真結(jié)果證明，這種結(jié)構(gòu)可以作為“數(shù)字超材料”的“比特單元”，并演示了異常透射、龍伯透鏡、電磁“黑洞”案例;c）.研究了一種石墨烯互補開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有與對應的正結(jié)構(gòu)類似的頻譜特征，兩者的諧振機理予以細致分析對比，本文提出的互補結(jié)構(gòu)結(jié)合石墨烯的調(diào)控方法，具有一致調(diào)控的優(yōu)勢;d）提出了一種石墨烯雙回結(jié)構(gòu)微波吸波器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)

7、印制在柔性材料上，并在上下層之間填充電解質(zhì)實現(xiàn)對石墨烯的高效調(diào)控，在石墨烯表面阻抗達到60Ω/sq時候，可以在5～20GHz寬帶范圍實現(xiàn)吸收效率90％以上的吸波效果。
　　本文的相關(guān)研究成果已發(fā)表在國際知名期刊IEEE Photonics Technology Letters,Plasmonics,Journal of Physics D:Applied Physics、Europhysics Letters,其中第一作者四篇;國

8、際會議International Symposium on Antennas and Propagation、Progress In Electromagnetics Research Symposium、Asia-Pacific Microwave Conference，其中第一作者兩篇。截止目前發(fā)表的文章被引用次數(shù)達到40(google scholar)。這些研究成果在一定程度上促進了中國在石墨烯電磁學領(lǐng)域內(nèi)的研究步伐，對未來在此領(lǐng)