基于石墨烯和二氧化钒超材料的双可调完美吸波器研究

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基于超材料的完美吸波器,指的是通过对器件的周期单元结构和材料参数进行设计,对入射的电磁波在特定频段内实现近100%的吸收。为了克服传统的超材料完美吸波器受制于器件结构,无法实现动态可调的缺点,研究人员将目光转向新型材料。作为新型材料的代表,石墨烯优秀的动态电可调性和二氧化钒独特的相变能力吸引了研究学者的注意,对基于石墨烯或二氧化钒的超材料完美吸波器进行了广泛的研究。但是目前的研究主要集中在单一材料,无法满足复杂环境探测任务的需求,因此本文研究了两种可调谐材料相结合的超材料完美吸波器。本文利用石墨烯电可调和二氧化钒温度可调特性,研究了基于石墨烯和二氧化钒超材料的双可调完美吸波器,从拓展工作带宽和频段的角度出发,分别设计并理论分析了三种基于石墨烯和二氧化钒的超材料完美吸波器,并进行了详细的仿真优化与模拟分析。具体工作成果如下:首先,提出了基于单层石墨烯与二氧化钒的双可调完美吸波器。并通过仿真分别对该器件的结构参数、石墨烯的费米能级和二氧化钒的电导率进行参数扫描,分析其对吸收性能的影响。数值计算表明,该吸波器件可以在近3.0 THz的带宽范围内获得90%以上吸收率的高效吸收,其中最大吸收率可达100%。其次,利用仿真计算探讨了基于双层石墨烯与二氧化钒的宽带太赫兹完美吸波器,实现了扩大吸收带宽的效果。利用两层结构参数不同的石墨烯激发出的具有不同谐振频率的等离子体来达到增大吸收带宽的效果,分别研究了石墨烯的费米能级、器件的结构参数和二氧化钒的电导率与吸收带宽和吸收率之间的关系,结果表明,具有90%以上吸收率的吸收带宽为12.5 THz,同时最大吸收率在98%以上。并且由于结构的特殊性,该宽带吸波器对入射角度是不敏感的。最后,提出了基于石墨烯与双层二氧化钒的双频带完美吸波器,满足了多种频段的探测需要。分别通过中间层和边界的二氧化钒与十字形石墨烯产生谐振,实现双频带高效吸收。同时探讨了器件结构参数的变化与双频带吸收峰的关系,分析了该双频带吸波器的动态可调性。计算结果表明,两个吸收峰90%以上吸收率的带宽均在3.5 THz以上,最大吸收率均可达到99%以上,同时具备灵活的可调性。
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