课题主要研究石墨烯太赫兹超材料吸收的调制特性及其掺氮物的太赫兹时域谱。根据石墨烯的导电理论,其导电性能是费米能级和载流子态密度的函数,通过化学修饰、电控制或光泵浦,可以改变石墨烯的本征费米能级和载流子浓度,它的电导率随之而改变。石墨烯带间吸收对应太赫兹波段,因而可以激发太赫兹等离激元。动态改变石墨烯电导率,可以改变太赫兹波的传输特性,太赫兹波的吸收和传导将得到调制;课题实验研究了化学制备掺氮石墨烯的构型,通过太赫兹时域光谱研究了掺氮石墨烯的导电特性;理论设计了石墨烯亚波长周期性微结构器件,得到了多频带完美吸收器,并通过数值模拟分析了表面电流和极化电荷分布;利用石墨烯导电性可调的特点,实现了石墨烯太赫兹超材料吸收器吸收强度的调制,建立了以麦克斯韦电磁波理论为基础的驻波理论模型,描述了器件中太赫兹波的场分布,分析微结构器件传输特性,通过数值模拟优化其结构参数,并与不同的理论--多光束干涉模型进行对比,分析了驻波理论的合理性和优越性;研究了超材料器件Q值的影响因素,并通过周期优化获得了高Q值超窄带单频带吸收;将微结构器件等离激元特性单向传输与量子霍尔效应类比,将石墨烯超材料表面周期性电极化响应对应量子拓扑绝缘体的相变,研究了石墨烯太赫兹超材料吸收器的光学拓扑性。本课题的研究结果对石墨烯及衍生物在太赫兹光电子器件领域的探索和制作有理论和实验上的促进作用,这种周期性微结构器件有望在生物传感和光电通信领域得到发展应用。文章的主要内容包括以下几部分:1.石墨烯及其衍生物的导电性能的调制机理研究,根据石墨烯及掺杂石墨烯的导电理论,其导电性能是费米能级和载流子态密度的函数,通过电控制或光泵浦,改变石墨烯及掺杂物的本征费米能级和载流子浓度,它们的电导率随之而改变,从而可以改变太赫兹波的传输特性,动态改变电导率,太赫兹波的吸收和传导将得到调制。2.实验研究掺氮石墨烯的制备、表征和电导特性,通过氧化还原的方法实验制备了氧化石墨烯,接着在NH3中退火获得了掺氮石墨烯样品,利用SEM、TEM和XPS表征了不同退火温度下掺氮物的外型构貌,氮原子的价态、含量,通过太赫兹时域光谱技术测试了样品的透射幅度及相位变化,通过傅里叶变换计算了样品吸收率、电导率和折射率,分析了退火温度对掺杂氮原子型态及掺氮石墨烯导电特性的影响。3.理论设计了石墨烯太赫兹亚波长周期性微结构器件,通过CST商业软件设计了石墨烯微结构-介质-金属基底超材料吸收器,研究了两种圆形环在开口和不开口情况下,太赫兹波的传播特性,器件的吸收系数,模拟了不同介质基底、材料厚度对吸收性能的影响,优化结构参数,获得了多频带完美吸收。用麦克斯韦电磁波理论解释了这种特性,建立了符合能量分布的驻波理论模型,与多光束干涉模型比较,获得了比较一致的结果,而形式更加简单,结果更加直观。4.利用石墨烯电导率可调的特点,设计了强度可调的石墨烯超材料吸收器。通过外界激励,石墨烯费米能级改变,从而改变石墨烯在太赫兹波段的电导率,吸收特性被调制,通过仿真模拟,获得了多频带、强度可调的太赫兹吸收器。优化单元结构周期,可以获得高Q值的单频带吸收,用驻波理论模型对吸收器的极化电荷与表面电流分布做了分析研究。由于本征石墨烯具有量子自旋霍尔效应,以此构建的太赫兹超材料吸收器件的某些特性可以与量子拓扑绝缘体相比拟,将麦克斯韦方程和狄拉克方程类比,吸收器的单向传输与量子霍尔效应比对,研究了这种微结构吸收器件的光学拓扑态。