基于石墨烯的可调谐超材料吸收器的设计与研究.pdf

中文摘要

作为一类具有负磁导率(μ)、负介电常数(ε)、反向多普勒效应、反向透波和完美

吸收等特殊性能的人工复合新材料，超材料以其优异的光学性能在近年来引起了学

者们的广泛关注。本文利用新型的石墨烯二维材料代替传统的贵金属材料对超材料

吸收器性能展开研究。通过电磁仿真软件CSTMicrowaveStudio2019（CST）对吸收

器中可调谐、偏振不敏感/敏感、高性能吸收以及宽角度入射进行分析与研究，同时

利用阻抗匹配理论以及多重反射干涉理论进行对比验证，并进一步对太赫兹吸收器

的应用价值进行探讨。本文主要研究内容具体如下：

(1)首先，本文设计了一种基于石墨烯的单带超材料完美吸收器，结构采用的是

经典的“三明治”结构，底部是足够厚的金层，中间介质层选取的是介电常数为2.35

的TOPAS层，顶层表面是覆着的石墨烯图案层。采用CST软件对该结构进行仿真

发现，在TE或者TM偏振电磁波入射时，在频率为5.485THz处出现吸收率接近

100%的吸收峰，此时达到完美吸收，两种入射状态下的吸收峰重合，并利用通过使

用多重反射干涉理论（MRIT）和阻抗匹配理论（IMT）验证了仿真结果，结果表明

理论结果与仿真结果吻合良好。

(2)其次，本文提出了另一种新型的可调谐超材料吸收器，它由非旋转对称的石

墨烯图案层、TOPAS介质层和厚实的金属表面组成，形成一个简单而又经典的三明

治结构，可以有效地提高吸收效率。研究结果表明，所提出的吸收器的吸收特性是偏

振敏感和动态可调的，与广泛研究的偏振不敏感的超材料吸收器相比，对于TE偏振

入射电磁波（EMW），可以在4.268THz和6.032THz的频率上产生双波段吸收，吸

收系数分别高达99.99%和99.79%。讨论了石墨烯的几何参数以及化学势和弛豫时间

对吸收特性的影响。通过使用多重反射干涉理论（MRIT）和阻抗匹配理论（IMT）

验证了仿真结果，结果表明理论结果与仿真结果吻合良好。该吸收器可以在较大的入

射角范围内对TE光实现良好的吸收。此外，通过选择两种不同的石墨烯化学势，可

以实现良好的太赫兹开关性能。此外，还详细研究了在折射传感领域的应用，具备较

高的灵敏度和品质因数（FOM）。

关键词：超材料；吸收器；太赫兹；石墨烯；可调谐

I

1绪论

1绪论

1.1太赫兹技术概述

太赫兹（Terahertz，THz）波段特指频率范围为0.1-10THz的电磁波波段，对应

的波长范围是30μm-3000μm[1]。如图1.1所示，太赫兹波段处于高频红外和低频毫米

波之间，对该波段内的研究不能完全采用微波和光波理论，所以此波段也被称为“太

[2]

赫兹间隙”。

[2]

图1.1太赫兹波段频谱图。

Fig.1.1Terahertzbandspectrogram[2].

超材料吸收器是一种新型的电磁波吸收装置，在太赫兹波段尤为重要。与光波比

较，太赫兹电磁波有着许多独到的优势，其中最显著的是：

[3-4]

(1)低能量特性：太赫兹光子的能量非常低，1THz所携带的光子能量仅为

4.1meV。电离时不会破坏被检测的物质的结构，所以用太赫兹波照射被测生物时不

会造成伤害。因此，太赫兹波适用于无损检测、医学成像和生物检测等领域。

[5]

(2)穿透特性：太赫兹波对大部分介质（塑料、陶瓷、纸盒和衣物等材料）具

有较强的透射性，所以该特性可以应用于物质检测的领域。

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(3)相干特性：太赫兹波可以直接测量电场的相位和振幅，从而可以很方便的

提取出所测样品的反射系数、吸收系数和折射率等参数。

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