石墨烯在太赫茲及中紅外頻段電磁器件設計中的應用
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本書(shū)是關(guān)于石墨烯在太赫茲及中紅外頻段電磁器件設計中的應用方面的研究書(shū)籍。通過(guò)本書(shū),讀者能夠了解石墨烯的基本性能,變換光學(xué)及等離激元等技術(shù)的產(chǎn)生機理,并能了解石墨烯在太赫茲及中紅外頻段電磁器件設計中的應用。
本書(shū)概念講解清楚,系統性強,是作者多年從事電磁場(chǎng)與石墨烯方面研究的成果總結,具有較強的實(shí)用性,可供高等院校無(wú)線(xiàn)電物理、電磁場(chǎng)微波與技術(shù)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生及教師閱讀。
太赫茲及中紅外頻段納米光子學(xué)器件新技術(shù)的發(fā)展與應用,是我國實(shí)現“雙碳”目標和可持續發(fā)展的重要保障。在國家層面,需要突破制約我國可持續發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)瓶頸,需要重點(diǎn)開(kāi)展對“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)的攻關(guān)行動(dòng)。在行業(yè)層面,需要通過(guò)科技創(chuàng )新促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結構調整和優(yōu)化升級。為實(shí)現國家“雙碳”目標,應進(jìn)一步提升我國關(guān)鍵核心技術(shù)水平及自主創(chuàng )新能力,同時(shí)積極推動(dòng)關(guān)鍵核心技術(shù)向產(chǎn)業(yè)、資本領(lǐng)域的滲透應用。太赫茲(THz)光子學(xué)材料和器件作為新興戰略性前沿技術(shù)領(lǐng)域之一,其研究成果對于實(shí)現先進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展具有極其重要的意義:
(1)太赫茲光子學(xué)材料的發(fā)展將為下一代太赫茲通信和探測系統提供基礎。
(2)太赫茲波是一種非常理想的、可以實(shí)現超遠距離傳輸的電磁輻射工具。
(3)太赫茲光子學(xué)材料及器件是中紅外波段光子學(xué)探測器的重要支撐材料。
當前中紅外波段太赫茲探測器尚處于研發(fā)階段,然而,由于缺少?lài)H上先進(jìn)技術(shù)的支持,研制出各種新穎、簡(jiǎn)單、高效的微納光學(xué)器件,一直是國內研究工作者面臨的一大挑戰。近年來(lái),隨著(zhù)微納光子學(xué)技術(shù)和微電子學(xué)的快速發(fā)展,集成納米光子學(xué)成為了新的研究熱點(diǎn)。傳統材料的納米光子學(xué)器件存在著(zhù)體積大、質(zhì)量重、穩定性差等缺點(diǎn),這對大規模集成和應用造成影響。另外,傳統材料的制造工藝也存在著(zhù)不穩定、復雜、昂貴及難以大規模生產(chǎn),甚至會(huì )產(chǎn)生有害雜質(zhì)及輻射污染環(huán)境等問(wèn)題。因此,研究如何利用新型材料來(lái)制備和加工納米光子學(xué)器件就成為必要而又迫切的科研任務(wù)。
石墨烯是一種由碳原子構成的二維材料,其具有獨特而優(yōu)異的物理和化學(xué)特性。從理論上講,石墨烯完全是由單原子層組成,厚度僅為一個(gè)原子厚度甚至更薄。同時(shí),石墨烯還具有高導電率、幾乎完美的光學(xué)性能(高透光率)、優(yōu)異的化學(xué)穩定性、耐腐蝕和抗輻射能力、高熔點(diǎn)等特點(diǎn)。這也使其成為理想的光子材料,受到各領(lǐng)域學(xué)者的高度關(guān)注,尤其是在等離子體器件的研究方面,如光子檢測器、等離子開(kāi)關(guān)、濾波器、隱身衣、轉換光學(xué)、雙曲超材料、超透鏡等,尤其在硅波導中的電光調制器等方面更是凸顯出巨大的應用價(jià)值。因此,基于石墨烯在太赫茲及中紅外頻段進(jìn)行電磁器件的研究與設計是非常有意義也是非常必要的。
本書(shū)從有關(guān)的基本電磁理論出發(fā),系統論述了石墨烯在太赫茲及中紅外頻段電磁器件設計中的應用。全書(shū)共7章:第1章介紹本書(shū)的研究背景,石墨烯簡(jiǎn)介,表面等離子體激元概念及研究背景,變換光學(xué)的概念及研究進(jìn)展,以及研究?jì)热菁皠?chuàng )新點(diǎn)等;第2章介紹電磁基本理論及數值計算方法,包括電磁理論基本方程,物質(zhì)的電磁特性,邊界條件和輻射條件,有限差分法,時(shí)域有限差分法,有限元法及矩量法等;第3章介紹石墨烯色散關(guān)系及模式理論分析;第4章介紹基于變換光學(xué)和等離激元的石墨烯透鏡,包括等離激元變焦距平板透鏡和半麥克斯韋魚(yú)眼透鏡,以及焦距可調的紅外透鏡;第5章介紹基于變換光學(xué)的石墨烯電磁斗篷技術(shù)研究;第6章介紹石墨烯布拉格反射器,包括介質(zhì)截止厚度可調的石墨烯布拉格反射器和基于不同納米帶寬度的石墨烯布拉格反射器;第7章將介紹石墨烯帶通濾波器。
本書(shū)由山東交通學(xué)院李艷秀、山東建筑大學(xué)莊華偉共同完成。在編寫(xiě)和出版過(guò)程中,得到了山東交通學(xué)院信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院電子信息教研室主任武華及全體教師的積極支持和關(guān)心。中國水利水電出版社的領(lǐng)導和有關(guān)同志為本書(shū)的編輯、出版做了大量的工作,在此向他們謹致深切的謝意。
在本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中,作者從與山東交通學(xué)院信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院電子信息系、山東建筑大學(xué)信電學(xué)院的同事們的討論、切磋中獲益匪淺。但限于作者的水平,書(shū)中不妥和錯誤之處在所難免,誠望各位讀者不吝賜教!
作者
2022年6月
1.1 研究背景 1
1.2 石墨烯簡(jiǎn)介 5
1.2.1 石墨烯的發(fā)現 5
1.2.2 石墨烯的結構及性能 7
1.2.3 石墨烯的制備 11
1.2.4 石墨烯的摻雜 13
1.3 表面等離子體激元概念及研究背景 14
1.3.1 表面等離子體激元簡(jiǎn)介 14
1.3.2 表面等離子體激元的基本原理 15
1.3.3 表面等離激元器件的研究背景及應用 18
1.4 變換光學(xué)的概念及研究進(jìn)展 20
1.4.1 變換光學(xué)的概念 20
1.4.2 變換光學(xué)的基本特征 21
1.4.3 變換光學(xué)的研究進(jìn)展及應用 29
1.5 研究?jì)热菁皠?chuàng )新點(diǎn) 32
第2章 電磁基本理論及數值計算方法 36
2.1 電磁基本理論 36
2.1.1 麥克斯韋方程組 36
2.1.2 物質(zhì)的電磁特性 39
2.1.3 邊界條件和輻射條件 42
2.2 電磁基本原理和定理 44
2.2.1 亥姆霍茲定理 44
2.2.2 唯一性定理 46
2.2.3 鏡像定理 47
2.2.4 洛倫茲互易定理 48
2.2.5 等效原理 49
2.3 電磁學(xué)中的數值計算方法 50
2.3.1 數值計算方法的產(chǎn)生與發(fā)展 50
2.3.2 數值計算方法產(chǎn)生的意義 52
2.3.3 主要的數值計算方法 53
2.3.4 數值色散在空間及時(shí)間離散間隔的要求 69
2.3.5 邊界條件設置 71
第3章 石墨烯色散關(guān)系及模式理論分析 75
3.1 橫向大尺寸石墨烯表面電導率及其色散關(guān)系 75
3.1.1 石墨烯表面電導率的半經(jīng)典模型 75
3.1.2 置于半無(wú)窮大介質(zhì)空間中的石墨烯色散關(guān)系 78
3.1.3 介質(zhì)厚度可調的石墨烯色散關(guān)系 80
3.2 石墨烯SPP的基本屬性 83
3.3 石墨烯SPP的激發(fā)方式 86
3.4 石墨烯納米帶SPP模式分析及色散關(guān)系 87
第4章 基于變換光學(xué)和等離激元的石墨烯透鏡 94
4.1 背景介紹 94
4.2 等離激元變焦距石墨烯平板透鏡 95
4.2.1 理論分析 95
4.2.2 實(shí)現原理 97
4.2.3 仿真結果與分析 99
4.2.4 相關(guān)濾波系統設計 103
4.3 石墨烯半麥克斯韋魚(yú)眼透鏡 104
4.3.1 理論分析與建模 105
4.3.2 數值仿真與性能分析 107
4.4 焦距可調的石墨烯紅外透鏡 111
4.4.1 理論分析 111
4.4.2 模型建立 113
4.4.3 數值仿真 115
第5章 基于變換光學(xué)的石墨烯電磁斗篷技術(shù)研究 121
5.1 變換光學(xué)與超材料 121
5.2 電磁斗篷 123
5.3 圓柱及球形隱身斗篷的設計 125
5.3.1 圓柱隱身斗篷的參數計算 125
5.3.2 圓柱隱身斗篷的模型說(shuō)明 127
5.3.3 圓柱隱身斗篷的數值仿真 128
5.3.4 球形隱身斗篷的設計與仿真 128
5.4 橢圓隱身斗篷的設計 129
5.4.1 參數計算 130
5.4.2 模型設置 132
5.4.3 數值仿真 133
5.5 通過(guò)空間壓縮設計的隱身斗篷 135
5.5.1 參數計算 135
5.5.2 仿真及討論 137
5.6 任意形狀的隱身斗篷的分析與仿真 141
5.7 基于變換光學(xué)的石墨烯隱身斗篷 144
5.7.1 理論分析 144
5.7.2 模型設計 144
5.7.3 數值仿真 147
第6章 石墨烯布拉格反射器 153
6.1 背景介紹 153
6.2 介質(zhì)截止厚度可調的石墨烯布拉格反射器 154
6.2.1 介質(zhì)截止厚度分析與建模 155
6.2.2 仿真結果與介質(zhì)截止厚度對反射器性能的影響 158
6.3 基于不同納米帶寬度的石墨烯布拉格反射器 161
6.3.1 理論分析與建模 162
6.3.2 數值仿真與理論分析 163
第7章 石墨烯帶通濾波器 169
7.1 背景介紹 169
7.2 波導電磁理論基礎 171
7.2.1 波動(dòng)方程 171
7.2.2 亥姆霍茲方程 172
7.2.3 電磁場(chǎng)的邊界連續性條件 173
7.2.4 波導中的TE與TM模式電磁場(chǎng)分量及其邊界條件 175
7.3 基于石墨烯納米帶SPP帶通濾波器研究 177
7.3.1 濾波器結構建模及理論分析 178
7.3.2 數值仿真與性能分析 181
附錄 常用符號說(shuō)明 188
參考文獻 189
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- 建設工程法規實(shí)務(wù) [主編 余瀅]
- 商務(wù)秘書(shū)理論與實(shí)務(wù)(第三版) [主編 張同欽]
- 程序設計基礎實(shí)踐教程(C/C++語(yǔ)言版) [張桂芬 葛麗娜]
- C++案例項目精講 [主編 楊國興]
- 勞動(dòng)爭議處理實(shí)務(wù) [主編 王秀卿 羅靜]
- 工程數學(xué) [主編 郭立娟 王海]
- 語(yǔ)音識別理論與實(shí)踐 [主編 莫宏偉]
- 信息系統項目管理師章節習題與考點(diǎn)特訓(第二版) [主編 薛大龍]
- 武術(shù)基礎教程 [主編 李代勇 謝志民]
- 計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)訓教程 [主編 張浩軍 趙玉娟]
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