近来来,石墨烯作为一种二维碳材料正在吸引着国内外学者的广泛关注和研究热潮。由于这种新型材料具备特异属性,其在电子、材料、物理、化学、生物医学等学科展现了广阔的应用前景。本文从电磁学角度出发,研究了石墨烯的可调控特征,并进一步利用此特征探索了基于表面波与空间波类型的电磁功能器件设计机理与典型应用案例。本文的主要工作及其创新点概括如下几点:1.系统分析、概括了石墨烯及其结构不同的加工制备方法,总结了各种方法在应用上适合的场景,以及各种方法对应电磁参数的大致取值范围,这些工作奠定了石墨烯实用化的基础。2.全面分析了石墨烯全频段电磁特性,基于此探讨了不同工作频率条件下的石墨烯电磁参数表示方法。总结了石墨烯不同的调控手段,并根据调控效率指出了当前设计基于石墨烯的电磁器件最有效的调控技术的发展方向。3.回顾了石墨烯支持的表面波模式,并着重介绍了 TM模式表面波的传播特性,在此基础上,进一步研究了石墨烯边缘模式的表面波,分析对比了两种边缘模式,并讨论了两种模式的各自特点。4.基于石墨烯表面波提出了几种典型的电磁器件,利用石墨烯纳米条带上边缘模式表面波的干涉特性、耦合特性、谐振特性研究了逻辑门、平面、立体谐振环。a).通过调节石墨烯条带的长度,石墨烯偶边缘模式表面波能够有效相干相消或者相干增强,并且设计的逻辑门(异或门、同或门)比传统的介质、金属结构要更加紧凑;b).通过求解超越方程得到石墨烯圆环的本征模式,并通过石墨烯直条带将能量耦合到圆环上,展示了这种平面谐振环具有明显的通、阻带作用,并且谐振谱可以通过石墨烯的化学势调控,基于此进一步设计了一种四状态开关;c).在本课题组之前的研究基础之上,本文进一步展示了石墨烯与传统的金属材料对表面波束缚的差异,即便是将石墨烯条带弯曲成360°其仍然能够支持传播表面波,并使用石墨烯直条带可以将电磁信号耦合到这种立体环结构上,实现了与平面结构类似的频谱特性。5.回顾并总结了石墨烯与空间波的相互作用形式,从石墨烯本身与电磁波的作用比较微弱的角度开始阐述,逐步深入地探讨了若干种增强相互作用的结构。6.在对石墨烯与空间波作用机理理解的基础之上,分别提出了以下几种电磁器件应用案例:a).石墨烯调控Fabry-Perot谐振腔可以实现对反射波的幅度和相位进行有效控制,其中相位在三个工作频点附近的变化范围分别达到了 310°、260°、215°,根据这三个频点的变化范围针对性地设计了三种不同的阵列排布方法,实现了对反射波束的有效控制;b).研究了一种石墨烯与介质棒的复合非谐振结构,这种复合结构在宏观上的等效电磁参数具有可调控特性,例如,在25THz处,等效折射率可以在1～2范围内变化,数值仿真结果证明,这种结构可以作为“数字超材料”的“比特单元”,并演示了异常透射、龙伯透镜、电磁“黑洞”案例;c).研究了一种石墨烯互补开口谐振环结构,这种结构具有与对应的正结构类似的频谱特征,两者的谐振机理予以细致分析对比,本文提出的互补结构结合石墨烯的调控方法,具有一致调控的优势;d)提出了一种石墨烯双回结构微波吸波器结构,这种结构印制在柔性材料上,并在上下层之间填充电解质实现对石墨烯的高效调控,在石墨烯表面阻抗达到60Ω/sq时候,可以在5～20GHz宽带范围实现吸收效率90%以上的吸波效果。本文的相关研究成果己发表在国际知名期刊IEEE Photoncs Technology Letters,Plasmonics,Journal of Physics D:Applied Physics、Europhysics Letters,其中第一作者四篇;国际会议International Symposiumal on Antennas and Propagation、Progress In Electromagnetics Research Symposium、Asia-Pacific Micro wave Confrence,其中第一作者两篇。截止目前发表的文章被引用次数达到40(googlescholar)。这些研究成果在一定程度上促进了我国在石墨烯电磁学领域内的研究步伐,对未来在此领域内的学术和应用研究提供一些参考。