基于石墨烯磁表面等离子体激元的太赫兹带阻滤波

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二维材料石墨烯自身独特的电子能带结构为其提供了良好的电磁特性。在外部磁场的作用下,石墨烯电导率以及相对介电常数将会发生改变。因此,石墨烯具有良好的磁可调性,这也使得石墨烯成为了实现有源可调谐等离激元器件的理想材料。本文主要围绕石墨烯单频/双频宽带太赫兹带阻滤波器的设计进行了详细理论分析和仿真计算,主要研究内容如下:介绍了石墨烯磁表面等离子体激元的理论分析方法,对石墨烯的电磁参数进行了理论分析。通过数值计算结果分析了石墨烯化学势对其电导率和相对介电常数的影响。此外,分析了磁场存在条件下石墨烯电导率的变化情况。设计了一种对称结构石墨烯磁表面等离子体的带阻滤波器。该滤波器的结构由两层石墨烯阵列组成,这两层石墨烯阵列被砷化镓基底隔开,顶部石墨烯阵列与底部石墨烯阵列的二维阵列周期相同。首先,对矩形石墨烯阵列进行了理论分析,讨论了石墨烯表面等离子体谐振所产生的谐振峰位置与矩形石墨烯的长度L和宽度W的关系。数值计算结果表明,对于方形石墨烯阵列(即L=W)而言,谐振峰值的位置与方形石墨烯的边长有关。因此,合理设计两层(顶部和底部)方形石墨烯阵列中石墨烯的边长,可以使得两个谐振峰合并成具有一定带宽的阻带。其次,分析了石墨烯化学势以及外加磁场对阻带的影响。分析结果显示,化学势的增加使得阻带发生了蓝移,磁场的存在使得原本重合的阻带发生了反向移动。最后,设计了基于石墨烯磁表面等离子体可调谐双频宽带带阻滤波器。在经过理论分析以及仿真计算后,得到了L1=107 nm、L2=106 nm、P=120nm的双频宽带带阻滤波器的最优尺寸。仿真结果显示,磁场B=3 T时,反向移动所形成的两个阻带的带宽宽度分别为到0.2 THz和0.225 THz,两阻带对应的中心频率分别为6.11 THz和7.11 THz。本章节设计的创新之处在于通过施加外部磁场实现重合阻带的分离。设计了一种非对称结构石墨烯磁表面等离子体的带阻滤波器。该滤波器的结构由最底部的铜薄膜层、中间的砷化镓基底层、顶部带有缺陷的石墨烯阵列层组成。首先,构建了石墨烯阵列模型,探讨了石墨烯表面等离子体谐振在完整石墨烯阵列和带缺陷的石墨烯阵列中的区别。分析了在两种石墨烯阵列结构中谐振峰变化的原因。研究结果表明,入射波在完整石墨烯表面所产生的等离子体谐振不受入射波电场偏振方向的影响,而入射波在带缺陷石墨烯表面所产生的等离子体谐振受入射波电场偏振方向的影响。产生这种现象是由于缺陷处所满足的色散方程中介质相对介电常数的变化所导致。其次,研究了缺陷的边长以及两缺陷中心之间的距离对谐振频率的影响。仿真结果表明,随着缺陷边长和两缺陷中心之间距离的减小,两谐振峰之间的距离也在不断变小。因此,可以合理的设计结构尺寸使得两谐振峰形成一定的带宽。再者,研究了石墨烯化学势以及外部静磁场对阻带带宽的影响。结果显示,化学势的增加使得阻带的位置发生了蓝移现象,而阻带带宽却没有变化。外部磁场的增加,对于阻带的带宽起到了一定的调节作用。最后,设计了基于石墨烯磁表面等离子体可调谐单频宽带带阻滤波器。仿真结果显示,磁场从0 T变化到0.5 T,带阻滤波器阻带宽度从0.09 THz变化到0.12 THz,阻带中心频率为5.70 THz。该章节设计的创新之处在于通过施加外部静磁场来实现对阻带带宽的调节。
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