摘要
超材料指的是具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。利用超材料可以实现对电磁波性能的任意“裁剪”，从而可获得如负折射率、完美透镜以及电磁隐身等奇特的电磁性能。近年来，基于石墨烯超材料的太赫兹完美吸收器已经引起研究人员的广泛关注。与传统金属超材料相比较，石墨烯超材料最引人入胜的特性是能通过外加激励对其电磁特性主动调谐，从而实现对吸收性能的调谐。然而，如何设计多吸收带、结构简单、调谐方式灵活和调谐范围广的石墨烯超材料太赫兹完美吸收器仍然是一个挑战。本论文基于石墨烯超材料设计了双带、四带以及双宽带的太赫兹吸收器，并通过软件数值模拟对其吸收特性进行了详细分析。主要研究内容如下: 一、基于图案化石墨烯的太赫兹超材料吸收器:(a)圆盘和圆环型石墨烯结构堆叠的双带太赫兹吸收器。数值模拟结果表明，在4.58THz和7.89THz该吸收器实现近乎完美吸收。由于垂直堆叠的设计分离了层问的光学响应，再结合石墨烯可通过外加电压改变其费米能级的特性，从而实现主动的和独立的调节两个吸收峰，对应的频移达到29.5％和54.1％。此外，该吸收器对入射光极化方向不敏感;在TE和TM极化下，入射角0°～50°依然保持吸收率高于90％。(b)多尺寸圆盘和圆环型石墨烯结构堆叠的四带/双宽带吸收器。基于对上述双频太赫兹吸收器的研究，分别将两种尺寸的圆盘和圆环型石墨烯结合，形成一个对称分布的超单元结构。模拟结果表明，该结构有四个吸收率大于90％的吸收峰。进一步通过改变圆盘和圆环型石墨烯的几何尺寸，分别将两个低频和高频共振峰合并，从而实现带宽分别为0.39THz和0.48THz的双宽带吸收器。再通过调谐石墨烯的费米能级，实现宽带可调谐。 二、基于非图案化石墨烯的太赫兹吸收器:由“十字”电介质、单层完整石墨烯、电介质层和金属基底四层结构依次堆叠。可以观察到在1.25THz和2.81THz出现共振峰，其吸收率分别为97.81％和97.96％。通过阻抗匹配原理和共振频率电场的分布探讨了其吸收机理，表明整个双带吸收谱是多个共振模式的摘要综合效应。通过外加偏置电压调节费米能级从OeV～O.8eV，低频和高频调制深度分别达到66.16％和80.78％，并实现从单带完美吸收到双带完美吸收的切换。
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