《多层石墨烯太赫兹频段电导率研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多层石墨烯太赫兹频段电导率研究（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘 要目前，石墨烯优异的电学、光学和热性能已引起世界各国研究者的关注。石墨烯是一种二维纳米材料，在光电、电磁、通信等领域有着重要的应用前景。由于大面积单层石墨烯的制备困难，以及多层石墨烯优异的太赫兹器件应用潜力、简单的制备工艺等特点，多层石墨烯的应用也越来越频繁。本文基于对单层石墨烯电导率的分析，研究了多层石墨烯在太赫兹波段的电导率及其零极点提取等内容。理论分析和数值模拟能够降低成本，进而加快石墨烯器件的设计、生产及应用。矢量匹配法能够以较少的迭代次数获得精确的近似结果，并可提取整个分析频段近似展开式的极点和留数，在进行逆傅里叶变换后仍可用于后续的时域计算，本文采用矢量拟合法精确描述多层石墨烯
2、材料太赫兹频段的电导率、阻抗以及温度、化学势对电导率的影响，另外为了适应高速、宽带信号和非线性系统日益增多的工程应用，石墨烯瞬态电磁问题的时域分析方法也逐渐发展起来，本文通过时域积分方程方法离散石墨烯表面，仿真石墨烯太赫兹频段的瞬态电磁特性，将矢量拟合法与时域积分方程相结合，通过逆傅里叶变换得到时域积分方程方法所需的时域表面阻抗，本文在理论分析以及数值仿真的基础上，研究了太赫兹频段多层石墨烯的电导率，为石墨烯太赫兹器件在太赫兹通信器件领域的发展提供了有利帮助。关键词：多层石墨烯；太赫兹；电导率；矢量匹配法；时域积分方程ABSTRACTAt present, the excellent elec
3、trical, optical and thermal properties of graphene have attracted the attention of researchers all over the world. Graphene is a kind of two-dimensional nanometer material, which has important application prospects in the fields of photoelectricity, electromagnetism and communication. Because of the
4、 large area of single-layer graphene preparation is difficult, and multilayer graphene excellent terahertz device application potential and simple preparation technology, the application of multilayer graphene is more and more frequent.Based on the analysis of the conductivity of single-layer graphe
5、ne, the conductivity and zero-pole extraction of multilayer graphene in terahertz band are studied. Theoretical analysis and numerical simulation can reduce the cost and accelerate the design, production and application of graphene devices. Vector matching method to get accurate approximation result
6、s less number of iterations, and analysis can extract the entire spectrum of approximate expansion poles and residue, after the inverse Fourier transform can still be used in subsequent time domain calculation, this paper USES the vector fitting description multi-layer terahertz frequencies the elec
7、trical conductivity of graphene materials, impedance, and the influence of temperature and chemical potential on the conductivity, the other in order to adapt to high speed, broadband signal and the engineering application of nonlinear system is increasing, the time domain analysis on the problem of
8、 graphene transient electromagnetic method gradually developed, Based on the discrete time domain integral equation method simulation graphene graphene surface terahertz spectrum of the transient electromagnetic characteristics, the vector fitting method combined with time domain integral equation,
9、the time domain integral equation is obtained by inverse Fourier transform method the time-domain surface impedance, this paper on the basis of theoretical analysis and numerical simulation, studied the terahertz spectrum multilayer of graphenes electrical conductivity, for graphene terahertz device
10、s in the field of communication development provides the beneficial help.Key words: Multi-layer Graphene; Terahertz; Electrical Conductivity; Vector Fitting;Time Domain Integral Equation南京邮电大学2018届本科生毕业设计（论文）目 录 第一章 绪论1.1研究背景及意义1.2国内外研究动态1.2.1石墨烯研究动态1.2.2石墨烯电导率测量研究动态1.2.3石墨烯建模及仿真方法1.3论文的主要内容及结构安排第二章
11、 矢量匹配法2.1常见拟合方法2.2基本原理2.3本章小结第三章 单层石墨烯电导率3.1单层石墨烯电导率3.1.1单层石墨烯电导率公式3.1.2化学势对电导率的影响3.1.3温度对电导率的影响3.2单层石墨烯表面阻抗3.3本章小结第四章 多层石墨烯电导率4.1多层石墨烯建模4.2双层石墨烯电导率研究4.2三层石墨烯电导率研究4.4仿真结果及分析4.5本章小结第五章 总结与展望5.1论文总结5.2未来展望结束语致 谢参考文献第一章 绪论1.1研究背景及意义石墨烯是由碳原子组成的六边形结构的平面原子层，石墨烯的厚度仅为一个原子的厚度，尺寸是纳米级大小。现在国际材料研究中还未发现比其强度更大，厚度更
12、小的材料。石墨烯在具有导电性能和导热性能的材料中也是首屈一指。 在2004年，英国曼彻斯特大学研究出获得单层石墨烯的方法，是由物理学家Geim和其同伴在透明胶带上一层一层反复剥离来得到的1，因此发现荣获2010年诺贝尔物理学奖，为进一步对其进行理论研究和实验研究奠定了基础，同时也使其成为研究热点之一。太赫兹（terahertz，简称THz）波指的是0.110THz频率范围内的电磁波，其频谱介于毫米波和红外光之间2-3，频谱如图1.1所示。太赫兹无线通信具有带宽大、频段资源丰富、抗干扰能力强等优点，传输速率可以达到110Gb/s，是目前无线通信领域研究的热点之一。太赫兹在材料科学的领域也有很大的
13、存在价值，比如用石墨烯特殊的性质深入THz的研究了解其导电的原理4。如果石墨烯的载体浓度刚好和太赫兹适配，在太赫兹的频率范围内石墨烯的等离子体可以发生共振。再加上它结构上有两层原子，在做半导体的过程有得天独厚的条件，在太赫兹的波段范围内可以把带隙囊括在内。石墨烯在电磁学的应用中有很多优异的特性，与普通材料有很大的差距。科学上这些性质归功于其表面电导率。石墨烯的表面电导率比较复杂，它能产生表面阻抗，表面阻抗和石墨烯所在的电场强度，杂质和其他掺杂物的存在有关。但是表面阻抗对电感的反应比较强烈，所以当电磁波在表面经过的时候，电感作用使得电磁波在其表面产生较慢行为。因此石墨烯较其他材料相比性能比较好，
14、在太赫兹波段中，其他材料并不能降低谐振波长，但是石墨烯最高可以降到波长的百分之一。这种性质让其在可重构的研究中也掀起一番热潮，受到很多科学家的高度重视。图1.1 电磁波频谱利用石墨烯较高的载流子迁移率、极高的载流子速度、优异的等比缩小和有限的散射等特性，在电光和磁光调制中也起到很大作用。甚至于可以将石墨烯与太赫兹结合，发展制造多种调制器投入日常工业使用。但由于单层石墨烯的载流子浓度只能在有限范围内调控，这些器件的调制深度还达不到工业要求，因此要进一步提高石墨烯太赫兹器件的性能，一种方法是利用多层石墨烯来拓展材料太赫兹电导的变化范围。多层石墨烯的太赫兹电导随着层数增加明显上升，随着化学掺杂程度的
15、提高而上升，单层石墨烯器件的调制效果已经远远达不到要求，多层石墨烯经过层层堆积，调制的效果提升已经基本得到证实5。研究发现石墨烯在多层叠加之后导电性会比单层更好，因为电容和比表面积在叠加之后急剧缩小。再加上多层石墨烯在制备时不会破坏石墨烯的特殊性能，在常温环境中依旧保持很高的导电性。制作多层石墨烯的工艺过程非常简洁方便，极易成功，在电化学方面比其他材料更加敏感。例如导电时对导电剂的需求并不高，但是导电性较其他材料来说还比较好，所以应用起来方便制作，节约能源。目前单层石墨烯的质量和尺寸制约了其实际应用的发展，因此研究重点转向多层石墨烯6。基于石墨烯优良的导电特性，它的应用十分广泛，下面举了一些例
16、子：（1）透明电极铟的高导电率和透明度不可置否，一直以来被投入透明电极的制作。但是它无法进行批量生产，得到该原料已经很不容易，加上生产过程中容易碎，难以控制用量，成本也比较高这些因素限制了它的应用，因此，研究人员迫切地想要找到高电导率、高透明度的替代材料，石墨烯厚度仅为单原子层厚度，并且具有高电子迁移率、比表面积大、导电性能好、透光率高（单层石墨烯对光的吸收率为2.3%）7等特点，使其成为透明电极的理想材料，可应用于液晶显示器、触摸屏、太阳能电池等的导电涂层。（2）传感器2007年，Schedin等8首次提出石墨烯传感性能，并发现石墨烯对、等都有很好的感应能力。石墨烯传感器的原理是石墨烯表面比较敏感，它的载体浓度一直随着
