基于金属-石墨烯多层结构的可调谐无偏振完美吸收器

提出一种基于金属-石墨烯多层结构并可在太赫兹区域实现从双频、多频到宽频的完美超材料吸收器.该超材料吸收器由含金电极的2种不同半径的石墨烯圆盘组成,并且每个石墨烯圆盘中的费米能级可通过加在金电极和金基底上的门电压独立控制,从而可实现其共振吸收频率的独立或同步调控,这样在不改变吸收器几何尺寸的情况下,可得到双频、多频和宽频吸收的动态调控.此外,由于结构的几何对称性,吸收器对入射光偏振不敏感,适合较大的入射倾角.结构简单和可调控性使单层石墨烯吸收器在传感、探测、隐身等领域有着潜在的应用价值.     

基于电介质超材料的中红外超窄带吸波器

电介质超材料因具有极低欧姆损耗受到广泛关注.提出一种基于电介质超材料的中红外超窄带吸波器,该吸波器由顶层电介质微结构、中间层电介质膜和基底金属构成.研究结果表明：该吸波器在中红外波段存在带宽为2.40 nm的吸收峰;电场主要分布于顶层硅微结构之间的间隙,导致吸收损耗功率显著降低,进而实现吸收带宽压缩;作为传感器时,在中红外波段该吸波器的品质因数可达80.可见,该吸波器可应用于中红外热辐射光源和高性能传感器.     

金属-石墨烯光子晶体复合结构多带光吸收器设计中金属材料的选择

研究表明,具有金属-石墨烯光子晶体-金属结构的光吸收器可实现多带吸收。这种光吸收器是在由石墨烯和介质材料构成的石墨烯光子晶体两侧加载金属层构成。所加载的金属材料的光学特性对多带吸收特性具有很大的影响。采用金属介电常数的Drude-Lorentz色散模型和传输矩阵法,比较分析了七种金属材料在可见光波段对光吸收器多带吸收特性的影响。发现金属银适合做光吸收器入射空间一侧的金属层材料,而金属铝、银、金和铜适合做衬底层材料。进一步的计算发现,只使用银做加载金属材料可实现一致性好、制作容差大、吸收带宽窄的多带光吸收器。研究结果对实际多带光吸收器的设计提供了参考。     

基于石墨烯双曲色散腔中回音廊共振的纳米激光器

本文设计并研究了基于石墨烯球形双曲色散超材料腔(由多层石墨烯和介质交替包裹介质核组成)中回音廊共振的纳米激光器.首先说明该石墨烯-介质核壳结构具有双曲型色散关系,支持共振波长远大于腔尺寸的回音廊模式,能够把电场局域在深度亚波长的区域.另外,由于该腔支持多个不同阶次的偶极回音廊共振,并能够在不同介质层中形成强约束电场,具有高Purcell因子.因此,通过在相应的介质层引入增益,可实现多波长激射,且阈值较低.对于直径404 nm的腔,在32.3μm的激射阈值仅为80.6 cm~(-1).进一步说明通过改变介质折射率、石墨烯费米能级或石墨烯/介质层对数,还能够实现激射波长的宽带调谐.最后说明对于仅由2对石墨烯/介质层组成的回音廊共振腔,最大共振波长和直径比也达到约50倍,相应的激射阈值仅90.74 cm~(-1).该纳米激光器兼备了深度亚波长、低阈值和宽带可调谐等特性,有望在太赫兹集成器件中发挥重要的应用.     

含石墨烯三明治结构杂化超表面微波吸收性能调控研究

基于石墨烯的电磁可调性与具有特殊电磁响应的无源金属结构耦合,设计了三明治结构微波吸波超表面,系统研究了金属结构和石墨烯电性对吸波性能的调控。通过三维全波电磁场仿真,证实可以通过调节石墨烯方阻改变谐振频率处的吸波率,于740 Ω/sq实现微波的完美吸收,且由担任相移介质的聚丙烯的厚度控制谐振频率。构建l 石墨烯结构与金属微结构杂化超表面,对引入金属谐振模式进一步增强微波吸收的超表面设计,证实了可通过调节石墨烯方阻获得频率23.2 GHz和36.4 GHz处的微波完美吸收以及由其确定的宽带吸收。分析了作为主要结构参数的金属线宽、周期、金属石墨烯间距对吸波率与频率的影响。该研究在拓展超表面设计与石墨烯应用方面有着一定的价值。     

三维结构化石墨烯及其复合材料

石墨烯是由单层碳原子组成的新型二维碳纳米材料,因具有诸多优良的理化性质而广受关注.三维结构化石墨烯是通过对二维片状石墨烯材料进行弯曲、组装获得的一类结构材料,可有效调控石墨烯的电学、光学、化学、机械和催化特性.基于三维石墨烯及其复合材料构建的器件在储能、传感、催化等方面表现出更为突出的性能.因而,制备和应用三维石墨烯材料已经成为当前的研究热点.文中介绍了三维石墨烯及其复合材料的结构类型,并简要评述了目前三维石墨烯材料应用中所面临的挑战和发展前景.     

单双层石墨烯的制备及电导特性调控

石墨烯二维材料有着优异的物理、化学特性,在多个科学领域展现出广阔的应用前景.采用化学气相沉积方法在Cu-Ni合金表面制备了二维石墨烯薄膜并揭示其生长机制;研究生长时间、温度等对石墨烯覆盖度和晶格质量的影响.通过优化生长条件,成功制备了大面积单层及具有强烈层间耦合作用的AB堆叠双层石墨烯薄膜.进一步运用表面沉积技术在单层石墨烯上构建零维Au团簇和二维Au薄膜,研究其对石墨烯电导特性的影响;并结合第一性原理计算,揭示Au的形态及覆盖度影响石墨烯电导特性的规律.据此制作了石墨烯场效应晶体管器件,通过精确控制Au的覆盖度,实现石墨烯电导类型和载流子浓度的有效调控,拓展了其在微电子领域的应用.     

宽带高效反射电磁波极化调控超表面的实验研究

电磁超表面具有传统材料无法实现的新奇电磁特性. 利用超表面来调控电磁波极化状态成为一个热门的研究领域. 本文提出了一种由金属贴片组成的各向异性超表面来实现对水平极化波和垂直极化波的正交极化调控. 数值仿真结果显示所设计的超表面在8.16～15.32 GHz内可以将水平极化或垂直极化入射的电磁波经过反射后分别转换成其正交分量,极化转换率和相对带宽分别达到了95%和60%. 实验结果与数值仿真结果吻合较好. 通过理论计算和表面电流分布详细阐述了极化调控的物理机理.     

光在一维金属/电介质光子晶体中的传播特性

用转移矩阵方法从理论上研究了光波在一维金属/电介质光子晶体中的传播特性.通常可见光在金属中的趋肤深度只有十几nm,所以在几十nm以上厚度的金属中是不能传播的.但可见光在由金属和电介质构成的一维光子晶体中传播时,即使金属的总厚度远远超过趋肤深度,仍然能够通过.单层金属膜的厚度越大,透射率越小,透射谱线的峰宽越窄.随电介质层的厚度增大,光子带隙向长波长移动.结构的周期数越大,透射率越小.但周期数并不能影响带隙的位置和宽度.     

介电常数近零复合超表面偏振相关非线性光学特性研究

介电常数近零(Epsilon-near-zero, ENZ)复合超表面是一种由ENZ材料和金属纳米单元构成的超结构,因其可有效增强光场与物质相互作用而受到关注.本文设计并制备了基于氧化铟锡(Indium Tin Oxide, ITO)薄膜和金属纳米结构的非线性超表面,实验研究了该ENZ复合超表面宽波段偏振相关的非线性光学响应特性.与单一ITO薄膜相比,该ENZ复合超表面的非线性吸收系数和非线性折射率提高了2个数量级,并且可以有效增强三次谐波的产生.通过改变入射光的偏振状态,可以实现该复合超表面非线性折射和非线性吸收系数符号和大小的调控,并在x偏振入射条件下观察到最大～1.97 THz的蓝移.研究结果表明,该ENZ复合超表面可为发展高集成微纳光电器件提供材料平台,并可为微纳尺度下光场高效调控提供超快全光手段.     

石墨烯结构型氨气传感器研究进展

石墨烯基气体传感器具有噪声低、能耗小和常温下即可检测等优点,在医疗诊断、气体检测和农业生产等方面有着广泛的应用。然而,传统石墨烯型传感器往往存在着恢复时间长和选择性低等问题。为了使传感器工作更加灵敏,开发基于石墨烯及其衍生物的复合新型气敏材料用以降低恢复时间和提高选择性,是当前的主要研究热点。简要介绍了近年来石墨烯复合气敏材料（如金属氧化物半导体、导电聚合物、金属有机骨架化合物、二维过渡金属碳氮化物等）用于氨气检测的研究现状,展望了其在微机电系统集成化等领域的应用前景。     

有机-无机复合电介质的电场分布特性及介电强度的有限元分析

有机聚合物介质材料由于其具有柔性、易加工、轻量化以及耐高压的特性而在电介质储能领域中具有广泛的应用前景。然而,受限于有机材料较低的介电常数,通过添加具有高介电常数纳米颗粒制备有机-无机复合电介质材料成为储能领域的研究热点。利用有限元分析方法,系统研究无机纳米颗粒介电常数及分布特征对复合电介质内部电势及电场强度的影响规律,探究影响材料介电强度的主要因素。在此基础上,总结提高复合电介质储能密度的有效途径,以期对高储能密度电介质材料的设计提供理论预测和指导。     

具有双负折射率通带的双结构单元渔网电磁超介质的数值模拟研究

基于传统的＂金属-电介质-金属＂渔网状电磁超介质,平行和交叉排列具有不同介电常数介质板的两种单元,利用数值方法研究了两种排列方式下渔网电磁超介质的左手行为.与采用单一介质板相比,使用两种电介质板形成的双结构单元渔网结构能够使不同的单元在不同频率下谐振,表现出双负折射率通带.利用楔形结构和后向波模拟验证了两种排列方式下双结构单元渔网结构的负折射特性.利用双结构单元渔网结构,可以通过调节介质板的介电常数,同时在一个或多个频率带实现负折射,这为制作性能更为优良的多频带滤波器和变频通信微波器件等提供了一种可行方法.     

基于极化不敏感超材料的类电磁诱导透明特性研究

设计了一种由4条金属直线和1个圆环构成的类电磁诱导透明超材料，当电磁波垂直入射到该超材料表面时，其具有水平极化和垂直极化不敏感特性。仿真了超材料的传输曲线特性，以及其表面电流分布特点，计算了相位传输曲线和群折射率，并对其介电常数传感特性进行了分析。计算所得群折射率最大值可达380，说明该超材料可用于制作慢光器件。用于制作传感器时，其D_FOM值约为20.13，与前人所设计的传感器相比，具有较高的灵敏特性。研究结果表明，该超材料在制作慢光器件和传感器件方面具有一定的应用价值。     

石墨烯在沥青复合材料中的研究现状

将结构特殊、性能优异的二维碳纳米材料石墨烯应用于土木工程,可以全面提高工程材料性能,拓展石墨烯的应用领域。通过梳理近年来国内外土木工程领域石墨烯沥青复合材料研究现状和发展动态,发现在沥青中掺入石墨烯改善其路用性能,但缺乏相关研究,如石墨烯—沥青结构的精细表征、对石墨烯—沥青独特行为的微观作用机制、石墨烯—沥青及沥青混合料的关键行为特性变化规律、石墨烯—沥青复合材料体系。将石墨烯掺入70号沥青,采用宏观和微观的研究方法初步探索石墨烯沥青混合物。研究结果表明:石墨烯对沥青具有亲和性,能够被热沥青插层或剥离,形成以石墨烯片为基面的超分子结构;掺入石墨烯显著改善沥青行为特性尤其是低温性能。     

基于石墨烯电光特性的多功能超材料吸波体设计

本文利用石墨烯的电光特性设计了一种可见光透明且振幅可调的超材料吸波体.首先通过商业软件CST Microwave Studio 2011模拟了石墨烯费米能级为0.5 eV时,介质层厚度对吸波体吸收特性的影响,仿真结果表明,介质层厚度从1.3 mm增加到1.6 mm,吸波体的中心频率从84 GHz红移到67 GHz,且吸收率几乎不变;其次模拟了介质层厚度为1.5 mm时,石墨烯费米能级对吸波体吸收特性的影响,仿真结果表明,通过改变电压来改变石墨烯的费米能级可以使吸波体实现振幅可调的功能,其调制深度可达47.9%左右,并且通过仿真证实了该吸波体还具有极化不敏感及入射角度不敏感的特性;最后对该吸波体表面电流分布及内部的空间电场进行仿真与分析,并阐述了其电磁吸波及振幅可调的机理.该超材料吸波体不仅具有超高的电磁波吸收率,并且具有可见光透明和振幅可调的功能,在隐身、探测和通信等领域具有潜在的应用价值.     

新型全电介质平板结构负折射性能的模拟分析

利用全电介质材料,设计了一种新型的高介电质平板-普通介电质-高介电质平板结构.该平板结构中入射电磁波激发的位移电流取代金属材质左手材料中的传导电流,在特定的激发模式下可以产生负折射现象.利用提取的有效介质参数和楔形棱镜模拟证实了这种全电介质结构的左手性能,并研究了高介电质平板尺寸变化对负折射率通带的影响.用具有高介电系数的介电质材料构筑左手材料可以克服传统的基于金属基元的左手材料在红外和太赫兹波段面临的结构复杂和损耗问题,为高频低损电磁超介质的开发提供一种新的结构设计思路.     

二维过渡金属硫化物在电学应用中的研究进展

近些年来,石墨烯由于其独特的层状结构和电学特性已经成为国内外关注的焦点.随着石墨烯研究的快速发展及材料制备技术的不断革新,其他具有二维层状结构特征的材料,如过渡金属硫化物(Transition-Metal Sulfides,TMSs),也被逐渐研究并应用.与石墨烯类似,TMSs拥有诸多优良的特性,例如良好的机械柔韧性和热稳定性、表面无悬挂键以及与硅CMOS工艺相兼容等.更为重要的是,零带隙的特点使石墨烯场效应晶体管的开关比很低,相比起来,部分TMSs材料具有令人满意的带隙,因而在半导体器件领域中具有巨大的应用潜力.本文简要介绍了TMSs的基本结构特点、能带特征及电学性质,其中重点以硫化钼为例,评述了其在场效应晶体管、逻辑电路及传感器等方面的具体应用,最后展望了TMSs未来的发展方向.     

基于等离子体超材料局部场调控特性的低频吸波材料设计方法

实现低频段雷达波的高性能吸收,通常需要增大磁性吸波材料(MAs)的厚度,这无疑会增加吸波材料的重量,制约实际应用潜能。对此,本文我们提出了基于等离子体超材料(PM)调控传统磁性吸波材料内部磁场的方法,利用金属短线调控磁场分布的特性,通过增强其与底层金属底板之间整个局部空间的磁场强度,在其中加入传统磁性吸波材料后,就能有效提升传统磁性吸波材料的吸波性能,进而使整体结构在其工作频段都具有较强的吸波性能。仿真和实验结果表明：垂直入射时,所设计的吸波超材料可在0.9～2.2 GHz频段内实现高效吸收,入射角逐渐增大到60°时,90%的吸收带宽仍可以达到0.73～3.12 GHz。该设计方法在雷达隐身、电磁兼容和通信等领域都具有较大的潜在应用。     

宽频吸声兼容电磁吸波的多功能超材料设计

超材料具有传统材料所不具备的超常物理性质,对电磁场、声场等物理场可以实现自由调控。设计了一种由多尺寸的亥姆霍兹共振器和多尺寸的金属谐振结构组成的宽频吸声兼容电磁吸波的多功能超材料,实现了对声波和电磁波的宽频双吸收。仿真结果表明：文中提出的超材料在690~927 Hz范围内具有0.8以上的高吸声系数,在9.11~11.10 GHz范围内对微波具有0.8以上的吸收系数。所提出的多功能超材料对于声波及电磁波均具有宽频、高效的吸收作用,在噪声污染防治和电磁防护方面有潜在的应用价值。