基于石墨烯的电磁仿真模型机制及应用的研究.docx
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1、研究背景石墨烯电磁仿真模型电磁诱导透明(E1ectromagnetica11yinducedtransparency,日T)是一种相干的非线性光学效应,表现在吸收线附近产生狭窄的光谱透射窗。1991年斯坦福大学的Bo11er等人首次利用实验在气相原子介质中观察到电磁诱导透明现象,EIT源自激励源与下图中原子三级能系统可等效为一个简单的谐波振荡器。如图所示,质量为m1、m2的粒子连接在弹性系数为k1、K和k2的弹簧上。整个系统保持最初位置固定不动。此模型与I型原子三级能系统类比,谐振子m1类比为原子,谐振子m1收到的简谐驱动力F(t)=Fe-iwst,类比为探测场(相当于EIT超材料中的亮模),
2、泵浦场是通过弹簧系数K的弹簧将谐振子m1耦合到第二个谐振子m2而模拟的(相当于EIT超材料中的暗模)。JkmIKm2k21/FO)用以模拟EIT的机制模型石墨烯由于其许多优越的电子和光学特性,最近引起了巨大的研究兴趣。具体来说,它的电导率可以很容易地通过外部电压门控来调节,从而可以通过调节其费米能级来调节。这种灵活性为石墨烯作为可调谐材料纳入许多光子和电子设备的设计提供了新的机会。在过去的几年中,已经提出并研究了许多基于石墨烯的传感器。例如2016年ZanHuiChen等人提出的一种由单层石墨烯片和类似于硅光子晶体的衬底组成的门控片上石墨烯超表面,其折射率灵敏度为1267nmRIU,FOM为8
3、.8932o2017年,Wenger等人在亚波长介电光栅上提出了一种石墨烯,其性能得到了改善,而没有任何动态可调性。我们提出了一种新颖的基于石墨烯的超材料结构,该结构可以通过施加外部电压来表现出可调节的EIT行为。超材料由两个石墨烯纳米盘和一个石墨烯纳米带组成,它们位于均质的各向同性基底上。将具有高电容的离子凝胶层旋涂在石墨烯图案上,并在该离子凝胶层上制造金电极。可以通过改变金属电极与下面的掺杂硅衬底之间的电压来调节石墨烯费米能级。我们提出了一个现场表征,以表明磁盘的偶极共振可以与条带的四极共振有效耦合,从而产生类似EIT的响应。在这项研究中,我们显示了超结构的几何参数如何影响EIT响应,并且
4、还显示了可以通过调节石墨烯的费米能级来动态调整超材料的类EIT响应。最后,分析了所提出的超材料装置在传感应用中的性能。与以前的作品相比,我们的超材料结构具有更好的性能,并且具有灵活的后加工可调性。结构设计超材料晶胞结构的俯视图,其特征在于以下参数:晶胞的周期,分别在X和V方向上的Px和Py1纳米盘的半径R1纳米带的宽度W和长度1以及纳米盘和纳米带之间的耦合距离S(b)所提出的石墨烯超材料器件的示意图,光从顶部入射。石墨烯图案结构与CaF2Si层集成在一起,将离子凝胶条覆盖为了研究所提出的石墨烯超材料的类EIT响应,使用商业频域有限元方法软件CSTMicrowaveStudio进行了电磁仿真。仿
5、真过程的示意图如图3,1(b)所示。金极触点是在离子凝胶层上制造的,因此我们可以通过控制金触点和硅衬底之间的偏置电压来直接调节石墨烯的费米能量。激发源被选择为入射到-Z方向上传播的平面波,并且电场在X方向上极化。为了在较宽频率范围产生显着的EIT响应,应同时选择石墨烯纳米盘的偶极子共振频率和带材的四极子共振频率,使其接近所需的中心频率。日T原理分析与结构参数仿真为了了解超结构的类Err响应,使用固定的石墨烯费米能量(0.7eV)进行了三次仿真。仅在晶胞中使用石墨烯纳米盘,(ii)在该晶胞中仅使用石墨烯纳米带,以及(iii)具有纳米盘和纳米带的完整结构。如图3.2(a)所示,石墨烯纳米盘的透射光
6、谱(绿色虚线)在27.66THz处显示出强烈的共振,而石墨烯纳米带的透射光谱(蓝色虚线)在28.67THz处显示弱共振。当同时存在纳米盘和纳米带时,两个共振相互影响,从而导致在中心频率27.45THz的位置产生特征性的类EIT响应,如图2中的红色实线所示。1.0-0.8-0.6-0.4-0.0,510152025Frequency(THz)303528.67THz27.45THz0.2-在图(a)中标记为点b至点g的几个临界频率处的电场分布显示在图(b)-(g)中。从图中可以看出,纳米带在1176THz(点b)的共振对应于偶极子模式,而在28.67THz(点c)的共振对应于四极子模式。图(d)
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