水-石墨烯-二氧化钒可调超材料吸波体研究

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超材料由于其超常电磁特性为操控电磁波提供了新的应用途径,随着吸波器件的不断研究,利用超材料来构建太赫兹吸波体逐渐成为研究热点,目前利用超材料已经设计出了单频带、多频带、超宽带等各种类型的电磁吸波体,随着微纳加工技术的发展,一些太赫兹吸波体也随之被设计出来,但这类吸波体只是无源器件且频率不可调,无法满足通信系统日益增长的应用需求,而且当下设计出来的太赫兹吸波体大部分都是单频带吸收效率高或者是多频带吸收但效率低下,而可重构多波段完美吸波体由于具有多波段完美吸收以及吸收频段可重构特性,在光开关和调制器等方面的潜在应用价值受到了人们的重视。采用可调元素可以主动控制完美吸波体的吸收率和工作频率,在自然界中水具有很高的介电常数和优异的频率色散特性,是天然的吸波体,并且其温控特性为吸波体吸收波段可调性增加了可能,石墨烯高吸收系数和可控电导率等优异物理特性,使得在太赫兹波段实现吸波功能和调谐吸波频带成为可能,二氧化钒是一种具有相变属性的固体材料,结合多个可调元素来构建吸波体丰富了调制手段和吸波效果。本论文基于可调元素水、石墨烯、二氧化钒分别设计了两种不同的可重构太赫兹吸波体,主要研究内容可概括如下:1、我们设计了一种基于水石墨烯级联超材料的全介质太赫兹吸波体,利用热控二氧化钒材料实现在0-3 THz频段范围内八波段与四波段完美吸收的切换,接着引入吸波器的电场分布分析了该结构的吸波机理。随后着重研究了吸波体的结构参数对于吸波效果的影响,并展示了吸波体对于温度和石墨烯费米能级的变化曲线,给出了在TE波与TM波模式不同入射角度下该结构的吸收图谱。而后对超材料吸波体进行封装设计,并给出了封装前后的吸收对比图谱,证实了所用封装材料的可行性,同时将本设计与当下相关文献设计做出了对比,展示了本设计的优越性能,证实了本设计在能量收集和电磁波操纵等广泛应用中拥有很大的自由度。2、我们提出了一种温控和电控双重控制的可重构单波段与双波段水基石墨烯超材料吸波器,利用二氧化钒的相变特性实现了频率0.742 THz和2.579 THz双频点完美吸收与频率范围为1.497 THz-2.602 THz的单吸波频带灵活切换,结合吸波器的电场分布分别分析了双波段吸收和单波段吸收时的吸收机理,随后研究了具体的结构参数对于吸波器吸收图谱的影响,并给出了温度变化与石墨烯费米能级调整对于吸波体吸收效果的影响曲线,最后展示了在TE波与TM波模式不同入射角度下该吸波体的吸收图谱,此吸波体结构对于未来设计太赫兹可重构吸波体具有极大的参考价值。
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