基于二维石墨烯及超材料的纳光子吸收结构研究

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近年来,纳米光学研究领域中的特异性材料受到了研究学者的青睐。因为,作为人工合成的新材料,特异性材料拥有自然界现存材料无法比拟的优良光学特性。某些材料可对入射电磁波完美吸收,这就是所谓的超材料薄层完美吸收结构。吸收结构都能在一定的波段实现对入射电磁波的完美、近完美吸收。那么,各种吸收结构实现完美吸收的原理是否相同就成为了研究的热点。在研究者掌握了各种吸收结构的吸收原理后,就可以根据该原理设计制造出符合特定要求的完美吸收结构。显然,更好性能的吸收结构得益于一些新材料的发展,石墨烯就是典型的代表。石墨烯是一种二维形式的碳结构。在石墨烯中,碳原子排列成蜂窝状的晶格。并且已经被科学研究证实这种二维形式的碳结构具有独特的机械、电磁、热学性能,这些特殊的性能将在学术研究和工业生产中得到广泛的应用[1-3],给其带来前所未有的改变。本文首先对完美吸收理论进行了比较全面、系统的阐述,并对现有的吸收结构类型进行了盘点。根据吸收结构两面介质材料相同与否,将其分成对称、不对称吸收结构两大类。然后再根据结构的特点进行细化分类,并对其各自的吸收原理进行了介绍。而后,给出了可能用在吸收结构设计中新材料—石墨烯的特性简介。其独特的优良特性可能会给新模型的设计带来意想不到的效果。文章的重点有两个部分:第一,根据吸收结构理论设计出了新的宽谱带吸收结构,使用可靠的专业仿真软件FDTD Solutions进行仿真并且给出了其仿真的过程。讨论了可能对吸收效果产生影响的各个参数,并给出其仿真结果。第二,设计出应用新材料石墨烯的新吸收结构,并提出利用等效T电路模型进行理论解释。理论推导给出了这个新的薄层吸收结构吸收物理机制的完美解释。由给出的仿真结果可以看出,吸收理论的分析结果与仿真结果达到了完美的切合。
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