石墨烯(Graphene)作為一種二維納米材料,其奇特的物理特性激發(fā)了它在物理化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用,石墨烯電池、石墨烯天線、石墨烯表面等離子體(Graphene Plasmatic)器件等都慢慢走入人們的視線。但受到制備及檢測(cè)工藝的限制,石墨烯器件的研制和性能測(cè)量需要借助于相當(dāng)復(fù)雜的納米制造和測(cè)量實(shí)現(xiàn)。利用電磁仿真算法實(shí)現(xiàn)基于石墨烯的電磁器件的仿真與設(shè)計(jì)已成為目前亟待解決的問(wèn)題之一。本文的研究分別從表征石墨烯電磁響應(yīng)的等效介電常數(shù)和表面導(dǎo)電率出發(fā),利用矢量擬合(vector fitting)方法得到的復(fù)共軛極點(diǎn)留數(shù)模型將石墨烯的電磁響應(yīng)參數(shù)有效的耦合到Maxwell方程中,應(yīng)用時(shí)域有限差分方法(finite-difference time-domain method, FDTD)解決了不同頻段和不同環(huán)境參數(shù)下石墨烯器件的電磁仿真問(wèn)題。首先,本文簡(jiǎn)要討論了時(shí)域有限差分法,通過(guò)賦予石墨烯一定的厚度實(shí)現(xiàn)了復(fù)共軛極點(diǎn)留數(shù)模型表示石墨烯介電常數(shù)的矢量擬合方法,通過(guò)輔助微分方程法將其與FDTD仿真方法相結(jié)合,推出一種基于復(fù)共軛極點(diǎn)留數(shù)模型的石墨烯FDTD仿真方法。結(jié)合該方法,本文創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)并仿真了太赫茲波段下的兩種基于石墨烯的可調(diào)帶隙光子晶體結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明,石墨烯的加入拓寬了光子晶體的光子帶隙,為該結(jié)構(gòu)帶來(lái)可調(diào)光子帶隙的性質(zhì)。利用解析理論驗(yàn)證了算法的正確性。其次,對(duì)石墨烯的等效介電常數(shù)進(jìn)行擬合和仿真的方法受制于較小的空間步長(zhǎng)剖分,將使得計(jì)算機(jī)內(nèi)存需求過(guò)高、計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為解決這一問(wèn)題,本文詳細(xì)討論了三種應(yīng)用于不同波段的表面電導(dǎo)率模型(非頻變表面電導(dǎo)模型、Drude模型和矢量擬合模型),利用電磁場(chǎng)歐姆定律將石墨烯的這幾種導(dǎo)電率模型耦合到Maxwell方程中,并通過(guò)FDTD方法獲得石墨烯上的表面電流分布,進(jìn)而求解石墨烯器件的電磁響應(yīng),解決了基于等效介電常數(shù)模型的石墨烯FDTD仿真方法的不足。最后,本文運(yùn)用基于歐姆定律的石墨烯器件FDTD仿真方法,有效仿真了石墨烯法布里-珀羅吸波器,石墨烯光柵結(jié)構(gòu)、光抽運(yùn)石墨烯層等概念器件。解析理論分析和已有文獻(xiàn)中的測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提出的算法的正確性。
【學(xué)位單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TQ127.11
【部分圖文】：

２N２邋ＦＤＴＤ的計(jì)算區(qū)域逡逑對(duì)于散射問(wèn)題（本文中涉及到的主要問(wèn)題），通常的做法是在仿真區(qū)域中引入總逡逑場(chǎng)／散射場(chǎng)邊界（連接邊界），如圖２．１所示。該連接邊界的引入將ＦＤＴＤ的計(jì)算區(qū)逡逑域劃分為怠場(chǎng)區(qū)和散射場(chǎng)區(qū)Ｐ１Ｌ因此可Ｗ在邊界處放置激勵(lì)點(diǎn)或入射波使入射波的逡逑加入更為簡(jiǎn)單且能控制傳播方向與區(qū)域。很據(jù)等效原理，只需要存儲(chǔ)ＦＤＴＤ計(jì)算過(guò)逡逑程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)界（輸出邊界）處的近場(chǎng)值即可推導(dǎo)出遠(yuǎn)場(chǎng)值，從而實(shí)現(xiàn)近遠(yuǎn)場(chǎng)逡逑變換。逡逑除連接邊界外，在仿真中還需要設(shè)置吸收邊界（截?cái)噙吔纾�。吸收邊界的設(shè)定將逡逑有助于計(jì)算區(qū)域的限定，從而可１＾＞１在有限的計(jì)算區(qū)域中模擬無(wú)限的電磁空間１２２１在逡逑本文的化真中將使用Ｍｕｒ邊界作為吸收邊界條件。逡逑５逡逑

—４Ｗr-）２邋．邋ｃｏｓ邋２開＂ｃｔ邐（公式邋２．１２）逡逑其中／ｃ為調(diào)制后的中屯、頻率點(diǎn)，調(diào)制后的時(shí)域與頻域波形分別如圖２．３和圖２．４逡逑所示。從圖２．３中可看到高斯脈沖的中也頻率點(diǎn)己經(jīng)由０邋Ｈｚ調(diào)制到了５邋ＴＨｚ。在逡逑實(shí)際運(yùn)用時(shí)，可Ｗ根據(jù)仿真需要調(diào)整時(shí)延參數(shù)ｔ0和脈沖寬度參數(shù)Ｔ，從而調(diào)整脈沖逡逑發(fā)起時(shí)間和所覆蓋的仿真頻段。逡逑如上所述，如果將該激勵(lì)源在電場(chǎng)ＦＤＴＤ方程中引入則相當(dāng)于電壓源激勵(lì)；若逡逑是在磁場(chǎng)ＦＤＴＤ方程中引入則相當(dāng)于電流環(huán)激勵(lì)。逡逑２．３．２總場(chǎng)／散射場(chǎng)邊界逡逑在ＦＤＴＤ的應(yīng)用中，總場(chǎng)／散射場(chǎng)邊界是被采用最多的激勵(lì)源引入方式。在本文逡逑所涉及到的的一維仿真中，為保證激勵(lì)源只向一個(gè)方向傳播，需要引入總場(chǎng)邊界條逡逑件。該邊界將計(jì)算區(qū)域劃分為總場(chǎng)區(qū)和散射場(chǎng)區(qū)，將入射波限制在總場(chǎng)區(qū)內(nèi)，在散逡逑射場(chǎng)區(qū)域只有散射波存在ＰＷ。因此截?cái)噙吔缣幹挥型庀蛐胁�，滿足了階段邊界的吸逡逑收條件。逡逑１０逡逑

其中巧ｎｔ為電場(chǎng)激勵(lì)源，在本文中即調(diào)制高斯脈沖。巧為相應(yīng)介質(zhì)的特征阻抗。在逡逑完成ＦＤＴＤ更新方程后，立即對(duì)邊界點(diǎn)處相應(yīng)的場(chǎng)值進(jìn)行更新，通過(guò)該方法可Ｗ實(shí)逡逑現(xiàn)總場(chǎng)／散射場(chǎng)邊界，仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)如圖２．５所示。逡逑■邐－邐；邐＇邐Ｉ邐Ｉ邐■邐，邐—．邋Ｉ，逡逑２０邋邐邐逡逑邐邐邐邋Ｊ逡逑邐邋１７＾逡逑，．八逡逑ｒ邋＇＂八邐逡逑Ｓ邐ＺＩＪ＼．邐逡逑．＇八邐逡逑５邐邋八邐逡逑邐逡逑１＼邐逡逑—八邐逡逑ＩＶ邐逡逑0１邐＞邐１邐１邐１邐逡逑０邐２０００邐４０００邐６０００邐跑００邐１００００逡逑Ｓｐａｃｅ邋（ＡＪ逡逑圖２．５自由空間電場(chǎng)值ＦＤＴＤ仿真結(jié)果圖逡逑１１逡逑

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周曉航;許旭;;石墨烯基電極材料的超級(jí)電容在軌道交通中的應(yīng)用[J];新材料產(chǎn)業(yè);2017年02期

2 呂美嬌;;石墨烯基復(fù)合材料去除和檢測(cè)重金屬離子的研究進(jìn)展[J];化學(xué)通報(bào);2017年02期

3 展學(xué)成;鄒欣;馬好文;王斌;胡曉麗;孫利民;鄭云弟;;石墨烯基催化劑及其催化加氫應(yīng)用研究進(jìn)展[J];石化技術(shù)與應(yīng)用;2017年02期

4 黃振旭;鄧振琪;裴先茹;;石墨烯材料的制備方法及應(yīng)用研究進(jìn)展[J];許昌學(xué)院學(xué)報(bào);2017年02期

5 梁鵬舉;唐朝芳;王素玲;劉廷廷;馬洪坤;姜建輝;曾紅;;微波還原氧化石墨烯及其電化學(xué)電容性能研究[J];塔里木大學(xué)學(xué)報(bào);2017年01期

6 李江燁;;福建省石墨烯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J];機(jī)電技術(shù);2017年02期

7 向文麗;徐媛;祝菲霞;司民真;孫坤;;石墨烯的微波法快速制備及其降解羅丹明B性能的研究[J];云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2017年04期

8 曹燁;卓錦新;鄒振東;佟景貴;邱國(guó)玉;;中國(guó)石墨資源形勢(shì)及其產(chǎn)業(yè)升級(jí)的出路——基于石墨烯的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)的分析[J];現(xiàn)代化工;2017年07期

9 王雷;于飛;馬杰;;石墨烯基電極材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)建及其在電容去離子中的應(yīng)用[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2017年07期

10 何博;潘宇飛;陸敏;;石墨烯基儲(chǔ)能材料的增材制造研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2017年13期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 王圣楠;王銳;張冬冬;曾麗金;王小偉;郭延軍;裘曉輝;;氧化/還原石墨烯的結(jié)構(gòu)和局域電學(xué)性質(zhì)研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

2 吳子偉;呂曉萌;魏曉駿;馮偉;謝吉民;;納米鐵酸鉍/石墨烯復(fù)合催化體系的光催化性能研究[A];第十三屆全國(guó)太陽(yáng)能光化學(xué)與光催化學(xué)術(shù)會(huì)議學(xué)術(shù)論文集[C];2012年

3 戰(zhàn)艷虎;孟艷艷;王杰;夏和生;;石墨烯/天然橡膠電致發(fā)熱材料的制備及性能的研究[A];2016年全國(guó)高分子材料科學(xué)與工程研討會(huì)論文摘要集[C];2016年

4 宋香蓮;宋力昕;張濤;;鎳薄膜在化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)石墨烯中的應(yīng)用及研究[A];TFC'15全國(guó)薄膜技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2015年

5 王坤;錢靜;劉倩;;石墨烯基功能納米復(fù)合材料制備、組裝及電化學(xué)傳感研究[A];第十四屆全國(guó)有機(jī)電化學(xué)與工業(yè)學(xué)術(shù)會(huì)議暨中國(guó)化工學(xué)會(huì)精細(xì)化工專業(yè)委員會(huì)全國(guó)第182次學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議論文摘要[C];2014年

6 趙帥;崔健;閆業(yè)海;;一種實(shí)現(xiàn)石墨烯表面修飾的系統(tǒng)化解決方案[A];2014年全國(guó)高分子材料科學(xué)與工程研討會(huì)學(xué)術(shù)論文集（下冊(cè)）[C];2014年

7 隋言慧;劉新;郭慧敏;孟長(zhǎng)功;;氧化石墨烯上空缺結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理和穩(wěn)定性的第一性原理研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第十二屆全國(guó)量子化學(xué)會(huì)議論文摘要集[C];2014年

8 郭新立;;高質(zhì)量石墨烯及其復(fù)合材料的制備與性能[A];第八屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議摘要[C];2013年

9 木士春;;無(wú)定形碳化物氯化法:一種新的石墨烯可規(guī)�；苽浞椒╗A];2014中國(guó)功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇摘要集[C];2014年

10 李曉莉;喬曉粉;韓文鵬;譚平恒;;利用襯底拉曼模鑒別多層石墨烯層數(shù)至100層[A];第十八屆全國(guó)光散射學(xué)術(shù)會(huì)議摘要文集[C];2015年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 本報(bào)記者 許紅洲;石墨烯產(chǎn)業(yè)化極富想象空間[N];經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào);2016年

2 本報(bào)記者 王瓊杰;“1344”：做強(qiáng)石墨烯產(chǎn)業(yè)的必由之路[N];中國(guó)礦業(yè)報(bào);2016年

3 本報(bào)記者 劉博;占領(lǐng)石墨烯技術(shù)開發(fā)的制高點(diǎn)[N];中國(guó)建材報(bào);2016年

4 中國(guó)工業(yè)報(bào)記者 由慶祝;從“紅�！避S入“藍(lán)�！� 黑龍江石墨烯產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展[N];中國(guó)工業(yè)報(bào);2016年

5 于海霞;黑龍江省出臺(tái)石墨烯產(chǎn)業(yè)“三年計(jì)劃”[N];中國(guó)礦業(yè)報(bào);2016年

6 新華社記者 任瑋 蘇萬(wàn)明;“秒充”時(shí)代離我們還有多遠(yuǎn)？[N];科技日?qǐng)?bào);2015年

7 吳博峰;神奇石墨烯[N];中國(guó)消費(fèi)者報(bào);2016年

8 記者 侯云龍;石墨烯產(chǎn)業(yè)支持政策有望上半年出臺(tái)[N];經(jīng)濟(jì)參考報(bào);2016年

9 侯云龍;政策有望落地 石墨烯商用可期[N];中國(guó)改革報(bào);2016年

10 王迅;當(dāng)石墨烯相逢鋰電池[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2016年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 鄭飛;功能化氧化石墨烯的制備及其與共軛聚合物的相互作用[D];山東大學(xué);2017年

2 何冰;石墨烯的制備、表征及其性能的研究[D];北京化工大學(xué);2014年

3 伊丁;石墨烯吸附與自旋極化的第一性原理研究[D];山東大學(xué);2015年

4 劉勇;智能化及摻雜改性石墨烯的研究及應(yīng)用[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

5 田正山;氧化石墨烯功能化應(yīng)用研究[D];東南大學(xué);2015年

6 陳建麗;氧化石墨烯的功能化及其衍生物、復(fù)合物的制備與性能研究[D];吉林大學(xué);2013年

7 秦賽;鐵磁性石墨烯的制備與研究[D];東南大學(xué);2016年

8 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修飾[D];北京化工大學(xué);2012年

9 Mehboob Hassan;[D];東北師范大學(xué);2019年

10 彭鵬;功能性二維材料的制備、表征和場(chǎng)效應(yīng)性能調(diào)控研究[D];東北師范大學(xué);2019年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 徐笛;基于時(shí)域有限差分法的石墨烯器件仿真算法[D];華中師范大學(xué);2015年

2 陳萌;納米氧化石墨烯對(duì)腫瘤細(xì)胞遷移能力的影響及其機(jī)制的研究[D];山東大學(xué);2015年

3 于濤;石墨烯/水性聚氨酯納米復(fù)合材料的制備與性能研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2013年

4 王艷;石墨烯導(dǎo)電薄膜的可控制備及導(dǎo)電性能研究[D];太原理工大學(xué);2012年

5 李發(fā)亮;氧化石墨烯/聚乳酸復(fù)合材料的制備及其性能研究[D];東南大學(xué);2016年

6 趙金風(fēng);改性還原氧化石墨烯復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2015年

7 畢娟娟;氧化石墨烯對(duì)尼古丁的吸附行為及其聯(lián)合毒理研究[D];蘭州大學(xué);2014年

8 王夏烈;石墨烯和石墨烯/聚苯胺復(fù)合材料的制備[D];湘潭大學(xué);2012年

9 王蓓娣;氧化石墨烯的功能化改性及應(yīng)用研究[D];復(fù)旦大學(xué);2012年

10 王舟;環(huán)氧樹脂/氧化石墨烯納米復(fù)合材料的制備和表征[D];北京化工大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2821730