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基于石墨烯的可调谐新型特异材料(metamaterials)
发布日期: 2020-03-17  访问量:

江西南昌市红谷滩新区南昌大学

项目简介

1、课题来源与背景:太赫兹(THz)波通常指频率在0.1-10THz的电磁波,它处于微波毫米波与红外线光波之间,是电子学与光子学之间的过渡区。由于太赫兹波具有非常出色的性能,在物理、化学和生命科学等基础研究学科以及医学成像、安全检查、产品无损检测、空间通信和武器制导等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景,因而受到广泛关注。然而常规材料难于在太赫兹波段发生电磁响应,特别是磁响应,人们在研制太赫兹器件,实现对太赫兹波的探测和操控时面临很多限制。石墨烯(Graphene)的出现弥补了太赫兹波段电磁材料的不足,为经典电磁理论开辟了崭新的研究空间,为人们有效操控电磁波提供了新的契机。2、研究目的与意义:为了克服石墨烯本身光学性能方面不足以及普通特异材料调控深度不大等问题,同时考虑到石墨烯电导率在THz波段具有独特的性质,本课题突破传统方法和传统调控机制的束缚,利用全新的电导率特征矩阵方法来研究基于石墨烯的新型复合结构特异材料对THz光波的全新操控机理,将石墨烯与介质复合来构建一种新型电磁特异材料实现对THz波的探测和操控。3、主要论点与论据:石墨烯在THz频率范围内,因其光子的能量较小,不足以使电子发生带间跃迁,电子仅能在带内发生相互作用,石墨烯电导率是随光的频率发生变化的非线性函数,其介电常数也随光的频率发生变化,无法从实验直接得到整个THz频率范围的介电常数,也就无法利用传统方法来计算得到其光学性质。对于石墨烯这种超薄的导电体在仅仅知道其电导率情况下,用传统方法计算来获取其光学性质遇到困难,期望只需借助于材料的电导率而无需知道其介电常数和磁导率即可直接计算获得材料的光学特性。为了解决这个问题,我们突破传统方法的局限性,开发了一种新的电导率特征矩阵,基于麦克斯韦方程组所要求的电磁场边界条件从理论上严格推导得到,这种全新的电导率特征矩阵方法只需借助于材料的电导率即可直接计算获得材料的光学特性,克服传统常规方法必须知道组成材料的介电常数和磁导率才能计算得到其光学性质的弊端,对研究石墨烯的THz光学行为具有重要的意义。4、创见与创新:(1)全新的电导率特征矩阵方法在石墨烯THz频率光学特性上的应用:只要借助于导电体的电导率而无需知道其介电常数和磁导率即可直接计算获得其光学特性。突破了传统计算方法的局限性。克服了传统常规方法必须知道组成材料的介电常数和磁导率才能计算得到其光学性质的问题。(2)新型复合结构具有独特的THz光波调制规律:将石墨烯引入到常规介质中构建一种新型复合结构,只需通过电控或掺杂的方式来调节石墨烯的费米能,就能改变种新型复合材料的能带结构,实现对THz光的操控。突破了传统调控手段的局限性。克服了传统方法必须通过改变介质材料、形状等各种参数,使得材料对外界的光学响应发生改变,从而对光的传播进行调控。5、社会经济效益,存在的问题:本课题主要是理论研究,研究成果对太赫兹器件的研究具有重要的理论指导意义和潜在的应用价值。6、历年获奖情况:荣获2011年江西省高校科技成果二等奖。7、成果简介:这项工作突破了传统THz调控手段的局限性,开创了一种全新的THz调控方式,石墨烯引入到常规介质中来构建一种新型复合结构,实现对THz光的操控。克服了传统方法必须通过改变介质材料、形状等各种参数的局限性。(1)我们开发一种全新的电导率特征矩阵方法,只要借助于石墨烯的电导率而无需知道其介电常数和磁导率即可直接计算获得其光学特性,克服了传统常规方法必须知道组成材料的介电常数和磁导率才能计算得到其光学性质的问题;(2)我们引入石墨烯到特异材料中构建一种新型复合结构,这种新型复合材料在THz波段电磁色散关系由于石墨烯的加入使得决定能带结构的色散关系必将发生改变,通过电控的方式来调节石墨烯的费米能,从而改变石墨烯的电导率,就能改变种新型复合材料的能带结构,实现对THz光的操控,克服了传统调控手段必须通过改变介质材料、形状等各种参数的局限性。(3)利用全新的电导率特征矩阵方法研究基于石墨烯的新型复合特异材料对THz光波全新操控的物理机制,实现对THz光的探测和操控。成果发表在《OpticsExpress》、《EPL》等期刊上,对太赫兹器件的研究具有重要的理论指导意义和潜在的应用价值。