基于石墨烯的电磁仿真模型机制及应用的研究.docx

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1、研究背景石墨烯电磁仿真模型电磁诱导透明(E1ectromagnetica11yinducedtransparency,日T)是一种相干的非线性光学效应,表现在吸收线附近产生狭窄的光谱透射窗。1991年斯坦福大学的Bo11er等人首次利用实验在气相原子介质中观察到电磁诱导透明现象，EIT源自激励源与下图中原子三级能系统可等效为一个简单的谐波振荡器。如图所示，质量为m1、m2的粒子连接在弹性系数为k1、K和k2的弹簧上。整个系统保持最初位置固定不动。此模型与I型原子三级能系统类比，谐振子m1类比为原子，谐振子m1收到的简谐驱动力F(t)=Fe-iwst,类比为探测场(相当于EIT超材料中的亮模)，

2、泵浦场是通过弹簧系数K的弹簧将谐振子m1耦合到第二个谐振子m2而模拟的(相当于EIT超材料中的暗模)。JkmIKm2k21/FO)用以模拟EIT的机制模型石墨烯由于其许多优越的电子和光学特性，最近引起了巨大的研究兴趣。具体来说，它的电导率可以很容易地通过外部电压门控来调节，从而可以通过调节其费米能级来调节。这种灵活性为石墨烯作为可调谐材料纳入许多光子和电子设备的设计提供了新的机会。在过去的几年中，已经提出并研究了许多基于石墨烯的传感器。例如2016年ZanHuiChen等人提出的一种由单层石墨烯片和类似于硅光子晶体的衬底组成的门控片上石墨烯超表面，其折射率灵敏度为1267nmRIU,FOM为8

3、.8932o2017年，Wenger等人在亚波长介电光栅上提出了一种石墨烯，其性能得到了改善，而没有任何动态可调性。我们提出了一种新颖的基于石墨烯的超材料结构,该结构可以通过施加外部电压来表现出可调节的EIT行为。超材料由两个石墨烯纳米盘和一个石墨烯纳米带组成，它们位于均质的各向同性基底上。将具有高电容的离子凝胶层旋涂在石墨烯图案上，并在该离子凝胶层上制造金电极。可以通过改变金属电极与下面的掺杂硅衬底之间的电压来调节石墨烯费米能级。我们提出了一个现场表征，以表明磁盘的偶极共振可以与条带的四极共振有效耦合，从而产生类似EIT的响应。在这项研究中，我们显示了超结构的几何参数如何影响EIT响应，并且

4、还显示了可以通过调节石墨烯的费米能级来动态调整超材料的类EIT响应。最后，分析了所提出的超材料装置在传感应用中的性能。与以前的作品相比，我们的超材料结构具有更好的性能，并且具有灵活的后加工可调性。结构设计超材料晶胞结构的俯视图，其特征在于以下参数：晶胞的周期，分别在X和V方向上的Px和Py1纳米盘的半径R1纳米带的宽度W和长度1以及纳米盘和纳米带之间的耦合距离S(b)所提出的石墨烯超材料器件的示意图，光从顶部入射。石墨烯图案结构与CaF2Si层集成在一起，将离子凝胶条覆盖为了研究所提出的石墨烯超材料的类EIT响应，使用商业频域有限元方法软件CSTMicrowaveStudio进行了电磁仿真。仿

5、真过程的示意图如图3,1(b)所示。金极触点是在离子凝胶层上制造的，因此我们可以通过控制金触点和硅衬底之间的偏置电压来直接调节石墨烯的费米能量。激发源被选择为入射到-Z方向上传播的平面波，并且电场在X方向上极化。为了在较宽频率范围产生显着的EIT响应，应同时选择石墨烯纳米盘的偶极子共振频率和带材的四极子共振频率，使其接近所需的中心频率。日T原理分析与结构参数仿真为了了解超结构的类Err响应，使用固定的石墨烯费米能量（0.7eV）进行了三次仿真。仅在晶胞中使用石墨烯纳米盘，（ii）在该晶胞中仅使用石墨烯纳米带，以及（iii）具有纳米盘和纳米带的完整结构。如图3.2（a）所示，石墨烯纳米盘的透射光

6、谱（绿色虚线）在27.66THz处显示出强烈的共振，而石墨烯纳米带的透射光谱（蓝色虚线）在28.67THz处显示弱共振。当同时存在纳米盘和纳米带时，两个共振相互影响，从而导致在中心频率27.45THz的位置产生特征性的类EIT响应，如图2中的红色实线所示。1.0-0.8-0.6-0.4-0.0,510152025Frequency(THz)303528.67THz27.45THz0.2-在图（a）中标记为点b至点g的几个临界频率处的电场分布显示在图（b）-（g）中。从图中可以看出，纳米带在1176THz（点b）的共振对应于偶极子模式，而在28.67THz（点c）的共振对应于四极子模式。图（d）

7、显示了在27.66THz（点d）的纳米盘的偶极子模式。当同时存在纳米盘和纳米带时，纳米带的四极模式与纳米盘的偶极模式强烈耦合，从而形成特征性的EIT分裂共振线形。图（e）显示了在26.96THz（点e）的反对称模式的强场激发，其中纳米盘内的场相对于纳米带内的场异相。在27.95THz（点g）处的另一个共振下降处，纳米盘和纳米带内的电场同相，表明对称模式共振。对称模式和反对称模式在27.45THz处具有相消干涉，从而产生透明窗口。最大透射系数为83.2%,并且在超结构内没有强磁场激发。28.67THzGroundstate原子E1T系统与我们的超材料系统之间的类比如上图所示，其中状态I是基态，状

8、态I2是亚稳态，状态I3是激发态。图中的箭头表示允许的过渡。在施加强控制场的情况下,有两种将原子从基态移动到激发态的路径：直接激发I1-|3和间接激发I1-3-2-|3O每个跃迁都会产生2的相移，因此间接激励和直接激励之间存在n的相差，从而导致破坏性干扰的发生，消除了跃迁并形成了透明窗口。这些超材料的共振模式等效于原子能级的作用。纳米带的四极模式（暗模式）类似于原子系统的亚稳态。纳米盘的偶极模式（明亮模式）类似于激发态。状态|2和3与两种模式之间的耦合有关。两条路径之间的破坏性干扰以及入射场与激发模式之间的关系可以通过以下简化的洛伦兹振荡器模型描述：E1（）-C01+i1）+kE2=-gE0k

9、E=E2-coi2）w1tw02；E1,E2；g1和g2分别是亮模式和暗模式的谐振频率，幅度和阻尼因子。k是状态I2和I3的耦合系数，g是指示亮模式与入射探测场Eo之间的耦合强度的几何参数。为了理解EIT行为对基础结构的几何参数的依赖性，通过扫描耦合距离S和盘半径R的值来进行参数研究。如图（a）和（b）所示，随着耦合距离从50nm变化到90nm,反对称共振表现出明显的蓝移，而对称共振则没有明显改变。此外，随着耦合距离增加，透明窗的宽度和总透射率都减小。这主要是由于随着S的增加，两个结构之间的耦合减弱。同时，随着盘半径的变化，纳米盘的偶极共振频率也发生变化，这也导致E1T样共振的形状发生变化。为

10、了研究纳米带的几何参数对日T共振的影响，通过改变纳米带的宽度W和长度1来进行参数研究。由图（C）和（d）可以看出，当W=60nm,1=400nm时，两个透射谷的最小值近似相等。随着W或1逐渐偏离，四极模式共振频率偏离磁盘的偶极模式。耦合到条带的磁盘的能量减少，并且透明。传感性能与主动调控分析由于我们的超材料的类EIT响应对环境介质的折射率变化敏感，因此可以用于生化分子传感应用56。我们根据石墨烯超材料对顶部周围介质折射率n的共振响应来模拟其敏感性。如图3.5(a)所示，当石墨烯超材料上方的介质的折射率从1更改为1.3时，EIT透明窗口将发生明显的红移，从11.02um变为11.93umo如图3

11、,5(b)所示，透明窗的峰的波长变化线性地取决于入射介质的折射率。可以使用灵敏度S和品质因数(FOM)作为质量因子来量化感测性能，如下所示：其中是透明窗口的峰值波长偏移，而FWHM是透明窗口的一半最大宽度。如图3.5(b)所示，EIT超结构的灵敏度计算为3016.7nmRI,并且FOM超过12.0,周围介质的折射率从1.0到1.3变化。该结果超出了基于石墨烯的超材料传感器的相似报告值的性能。与传统金属超材料中实现的EIT效应不同，我们的石墨烯基超材料中的EIT响应可通过外部电场显着改变。研究表明，向石墨烯片施加电压可以有效地改变其费米能，从而改变石墨烯中的载流子密度，从而改变石墨烯片的表面电导

12、率。与我们之前的分析相似，选择几何参数时应使纳米圆盘半径R=100m,1/2Ef1/2Ef,28纳米带长1=400nm,宽度W=60nm,以及纳米圆盘与纳米盘之间的耦合距离。纳米带S=70nm0图3,6(a)显示，当石墨烯的费米能级从05eV更改为0.8eV时，透明窗口中会出现明显的蓝移。在(b)中，可以看到透明窗口峰的频移与费米能量的平方根成线性比例，并且可调范围几乎可以达到6THzo因此，我们的设备的工作频率可以在制造后使用外部电压控制进行调整。表3.1各种石墨烯传感器中报告的性能比较OurRef32Ref49Ref33PerfbrmanCeSensitivity3016.71267250

13、0587.8(nmRIU)FOM12.08.8910.79.9总结在本章节中，我们提出并演示了一种石墨烯超材料设计，该设计可以在中红外频率下表现出可调谐的EIT样响应。我们已经表明，类EIT响应是由纳米盘的偶极共振与纳米带的四极共振之间的强耦合产生的，从而在对称共振模式和非对称共振模式之间创建了透明窗口。通过使用施加的偏置电压调节石墨烯的费米能量，可以在很宽的频率范围内调节提出的石墨烯元结构的此类EIT响应。我们已经表明，这种超材料结构可以用作灵敏度为3016.7nm/RIU和FOM高于12.0的有效折射率传感器。我们的设计提供了一个新的可调光子平台，可以促进生化分子测试，可调光延迟器等的开发。