基于石墨烯超表面的太赫兹器件的特性及应用研究

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1、单位代码：10359密级：公开学号：2015111054分类号：O436.1HefeiUniversityofTechnology硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION（学术硕士）论文题目：基于石墨烯超表面的太赫兹器件的特性及应用研究学科专业：物理电子学作者姓名：王奎元导师姓名：罗林保教授完成时间：2018年03月合肥工业大学学历硕士学位论文基于石墨烯超表面的太赫兹器件的特性及应用研究作者姓名：王奎元指导教师：罗林保教授专业名称：物理电子学研究方向：微纳功能材料与器件2018年03月ADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterThere

2、searchesonthecharacteristicsandapplicationsofterahertzdevicesbasedonthegraphenemetasurfaceByWangKuiyuanHefeiUniversityofTechnologyHefei,Anhui,P.R.ChinaMarch,2018致谢时光匆匆如白驹过隙，三年的研究生生涯转瞬即逝，往昔的学习生活场景仍历历在目，这三年我学到的知识仅是茫茫学海之一粟，但重要的是我从导师，同学们那里学到的学习方法，工作和生活的态度，这将是我继续成长的养料，促进着我的持续进步。值论文完成之际，向对帮助我，关心我的人表达我衷心

3、的感谢。首先感谢我的导师罗林保教授及指导老师郭忠义教授，正是在他们耐心的指导下我的论文才得以顺利完成。刚进实验室时，罗老师亲自指导并解决我在阅读文献方面的困惑，并且亲自指导我的实验，向我传授各种实验技能，极大的提高了我学习和科研的能力。罗老师还时常与我讨论课题的进展，提出了许多建设性意见，督促我完成每一阶段的工作。罗老师认真严谨的科研态度，学无止境的科研素养将会在我剩下的时光中激励着我奋勇前进。而我到了计算机学院交流学习之后，郭忠义老师对我的研究课题给予了重要的指导和帮助。郭忠义老师亲自和我讨论每一个阶段性成果，郭老师活跃的思维，每次都会给我提出建设性的想法和意见，令我深深的折服。我每篇小

4、论文的研究过程一直到论文最后的定稿修改，都离不开郭老师的功劳。郭老师不仅在科研上给予我了巨大的帮助，并且郭老师勤奋、务实、精益求精的工作生活态度也处处影响着我，使我自身的专业知识储备，科研素养都在这三年中稳步提升。并且在生活中郭老师给了我宝贵的帮助，使我更加明确了今后的人生道路。同时，我也要特别感谢沈飞老师﹑吴春艳老师﹑王莉老师﹑于永强老师、谢超老师和梁凤霞老师给予我的科研指导。还要感谢郑坤师兄﹑卢瑞师兄、张静然师姐﹑李荣真师兄、葛才旺师兄、张腾飞师兄、任志飞师兄、汪丹丹师姐、陶一飞师兄、陶强强师兄、安宁师姐等师兄师姐，感谢你们教会我使用各种科研实验工具及解答了我理论知识的相关困惑。感谢孔

5、维玉、吴国安、王九镇、王友义、许克伟、何淑娟、李禄、朱烈、黄培、田丽华、张编妹、高昌、余福源等同窗三年的实验室同学，我们互相学习，共同努力进步，并且给我的研究生生活带来了无数的欢声笑语。感谢徐海生、杨潇、聂小如、王静静、方诒强、徐星、陈福家、李子祥等师弟师妹在我学习生活中给我提供的帮助与支持。最后要感谢我的父母，在生活和学习中给我的全力支持和无限的包容，正是你们的爱与支持，我才可以在意志消沉的时候迅速的振作起来，我才可以在人生的道路上追逐梦想，不畏艰险、勇敢前行。王奎元2018年3月1日I摘要这些年来，超表面器件已经成为学术研究的一个重要研究方向和热点。通常情况下，大多数超表面器件是由金属

6、和介质结构组成，但是金属和介质超表面较差的动态调控性却限制了它们在光学方面的发展和应用。石墨烯作为一种由碳原子构成的六角形蜂巢晶格结构的二维材料不仅有优异的光学、电学、力学特性，并且在太赫兹波段具有如金属般负的介电常数，可以在太赫兹波段支持表面等离子体共振。另一方面，石墨烯的光学响应是由石墨烯的表面电导率所决定的，我们可以利用化学掺杂或者栅压调控的方法调节石墨烯的表面电导率。所以石墨烯逐渐成为构成新型可调控超表面器件的较佳选择。本文根据石墨烯和超表面相关知识和理论基础并借助有限元数值仿真方法重点研究基于石墨烯超表面的太赫兹器件的相关特性及应用。具体研究内容如下：（1）设计了一种可以灵活调控

7、太赫兹波的石墨烯超表面结构。石墨烯条带和入射光之间相互作用产生等离子体共振。在石墨烯的等离子体共振和介质层中提供的法布里珀罗共振共同作用下，通过改变石墨烯的化学势实现了对反射光接近2π的相位控制。在此基础上，我们通过排布一个合适的相位梯度，实现了一个可以调控偏转角的异常反射器。另一方面，我们利用连续的相位调制实现了一个聚焦超透镜，这种透镜具有较宽的工作带宽，小于半个波长的焦点直径和较大的数值孔径，具有非常优越的性能。并且