基于石墨烯表面等離子體的太赫茲器件的研究.pdf

1、近年來，石墨烯由于其突出的電子、機械和光學等性質(zhì)受到了越來越多的關(guān)注。尤其是石墨烯在太赫茲波段可以支持表面等離子體激元，這在理論和實驗中都得到了驗證。相比于其他金屬材料，石墨烯表面等離子體（GSP）具有更強的約束能力和更低的損耗，最重要的是石墨烯的性質(zhì)還可以通過施加外部電壓去調(diào)控。本論文將從以下三個部分展開：
　　首先介紹了石墨烯的參數(shù)特性，這里主要討論了石墨烯的電導率和其相對介電常數(shù)。我們還介紹了在太赫茲波段，石墨烯電可調(diào)性實現(xiàn)

2、的方法以及GSP的兩種激發(fā)方式。
　　基于以上的理論基礎，本文首先提出了基于太赫茲波段的石墨烯表面等離子體波導，由金屬/二氧化硅/石墨烯所構(gòu)成。通過有限元算法計算得到，該波導的本征模式完美地約束在中間的二氧化硅芯層中，具有出色的約束能力和可控的傳輸損耗，并且我們提出的波導結(jié)構(gòu)不需要彎曲、折疊這樣維持了石墨烯原有的優(yōu)良性質(zhì)。我們分析了等效模式系數(shù)Re(neff)和歸一化的衰減常數(shù)Im(neff)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)和化學勢能的變化，說明我們提

3、出的波導結(jié)構(gòu)的性質(zhì)不僅可以通過幾何參數(shù)去調(diào)節(jié)還可以通過外加電壓去調(diào)節(jié)，體現(xiàn)了石墨烯的可調(diào)控性。
　　除了在太赫茲頻段可以實現(xiàn)表面等離子體波導外，石墨烯還可以實現(xiàn)超材料結(jié)構(gòu)。因此本文最后提出了四種石墨烯超材料結(jié)構(gòu)。首先我們提出了不同的石墨烯超材料圖案，分別是微米帶、十字形結(jié)構(gòu)和圓盤結(jié)構(gòu)。經(jīng)仿真分析，石墨烯微米帶相當于一個諧振器，并且我們可以用Fabry-Perot模型去預測峰值位置，石墨烯的十字形和圓盤結(jié)構(gòu)的諧振性質(zhì)是與極化方向無關(guān)