基于石墨烯的多光束分束器

文摘

由于它的可调性的导电性,石墨烯可以视为小说epsilon-near-zero(劳动部)材料。根据这个性质,我们提出一个波分配器使用石墨烯。仿真结果表明,该圆形表面等离子体极化声子波兴奋的点光源可以通过石墨烯转移到狭窄的光束波分解器,由劳动部的多边形轮廓形成石墨烯层。梁的数量可以很容易地通过调整控制多边形的形状劳动部石墨烯层,和操作频率也可以选择。

1。介绍

近年来,已经有了很大的兴趣在物理和工程人工构造的超材料,由于其令人兴奋的特性造成的非传统的介电常数的值或渗透率(1- - - - - -6]。特别是,注意力一直集中在结构的实部的一个或两个的本构参数趋于02]。这些结构被用来形成有趣的设备如高度指令天线(7和紧凑的谐振器8]。它与epsilon-near-zero证明材料(劳动部)可能直接在自然界发现的红外和光学频率乐队(3]。一个著名的例子是电子气体的有效电流由自由电子的漂移与连续介质的辐射特征Drude-type色散模型接近于零围绕其等离子体频率(1]。在红外和光学频率,一些低损耗高贵的金银等金属,半导体(例如,锑化铟)9),和极性电介质碳化硅(SiC) [10]可能像劳动部材料等离子体频率附近。然而,由于它们的色散特性,这种劳动部材料只有附近的等离子体频率。因此,寻找新的劳动部材料所需的频率是很重要的设计功能的设备。

石墨烯(11- - - - - -17),由于它的各种有趣的特性,被认为是很有前途的光学材料之一在未来(16,18]。单原子厚度的石墨烯的特点是表面导电性久保,可以计算的公式(10,19]: 在哪里弧度的频率,是现象学的散射率,是温度,是化学势,是电子电荷,是减少了普朗克常数,费米狄拉克分布,是玻尔兹曼常数。重要的是,石墨烯的电导率可以改变通过调优的化学势,由门控制电压、电场、磁场和/或化学掺杂(20.,21]。根据等效复介电常数和电导率之间的关系厚的石墨烯层(石墨烯具有非常小的厚度),在22),我们可以调整单原子厚度的石墨烯层的等效复介电常数。此外,石墨烯可以支持高度限制横电(TM)表面等离子体极化声子波当且仅当(SPP)(换句话说,)[16,23]。基于上述结论,石墨烯显示了潜在的构造转换超材料在单原子厚度的表面上。

石墨烯的化学势取决于载体密度(可以动态地修改),通过应用一个栅电压(24]。之间的关系和可以被描述为下面的公式:,在那里是费米速度,是由,是剩余载体浓度,登机门是由特定的电极配置电容的影响,,电荷中性门电压,和应用门电压。石墨烯的化学势可以控制使用一个ion-gel最高门(25),它允许一个大型掺杂范围内通过低静电电压。通过不同的化学势,我们可以找到一个等价的复杂的石墨烯在工作频率介电常数的值,这是接近于零的实部,无论是积极的还是消极的。这里我们选择负劳动部值为了支持SPP波的传播在石墨烯。在本文中,我们提出一个可调波耦合器基于石墨烯的一张。这种材料的低波数的传播特性意味着相位变化的电磁场可以忽略身体长途,提供操纵的可能性阶段方面成想要的模型通过控制接口的形状劳动部的材料。

红外频段,可以获得接近于零的ε值通过改变栅电压,这是有关化学势(26]。图1显示了化学势之间的关系以及石墨烯的等效介电常数的实部在不同频率K和兆电子伏。我们可以看到,当工作频率的增加,相对应的化学势为零介电常数的增加,这意味着波耦合器我们设计还可以通过调优工作在其他频率门电压。

2。仿真模型

图2显示了仿真模型的基于石墨烯的波分配器。内筒的半径来标示边心距的多边形来标示,提出了波分流器的直径。红色区域对应于劳动部石墨烯层。在这个领域,石墨烯的介电常数的实部接近零。在其他领域,它可以被定义为一个负值支持SPP波的传播。根据(17),不均匀地平面可用于创建非均匀电导率或介电常数模式以及石墨烯层。这是示意图如图3(一个)。高度和高度剖面不均匀掺杂硅衬底作为地面飞机。地平面之间的距离和石墨烯可以填满一个常规介质隔离,例如,二氧化硅。在数值模拟中,点源在石墨烯层是用于刺激循环SPP波。源和波分解器之间的距离= 10 nm,如图3 (b)。满足波矢量匹配条件,产生的损耗场无限小的偶极子是用来激发石墨烯上的圆形SPP波。所以,偶极子和石墨烯之间的距离远小于工作波长。在我们的设计中,选择距离小于一千的工作波长。

3所示。数值结果和讨论

在本文中,我们使用一个全波电磁仿真软件CST微波工作室(27),获得三维数值结果。数值计算使用频域解算器,进行自适应四面体网格和开放边界条件独立的石墨烯的真空没有地平面。一个无限小的偶极子作为点源生成圆形SPP波。确认的有效性提出了基于石墨烯波分配器,三,四,五,和six-beam分离器作为具体的例子。在所有模拟,选择工作频率为50太赫兹和我们组海里,海里,nm。石墨烯的厚度为1纳米。根据图1,我们可以获得等效复介电常数与K,兆电子伏,电动汽车,它充当劳动部石墨烯层。然而,劳动部石墨烯面积大的损失。因此,当石墨烯层用作劳动部材料,劳动部区域的几何尺寸应设置为了降低传输损耗很小。

其他的化学势石墨烯层选为背景电动汽车,相应的复介电常数。应该强调,石墨烯层的背景,比0.129 eV(当化学势大,和)是能够支持SPP波传播。图4(一)显示的快照电场分量分布的TM波SPP石墨烯波分配器,其中的外轮廓劳动部石墨烯是三角形。当循环SPP电波传播通过劳动部石墨烯地区,三束几乎线性SPP波出现。当的外轮廓劳动部石墨烯层长度的平方four-beam波分配器是意识到,如图4 (b)。同样,五年期和six-beam波分割设计和演示。电场分布的仿真结果如图4 (c)和4 (d)。应该注意的是,该设备仅有效运营时无穷小偶极子源的几何中心正上方放置设备。当源是远离中心,激动的圆形波阵面不再是一系列的同心圆中心设备的中心(28]。在这种情况下,兴奋的圆形波前是无法匹敌的劳动部材料界面,导致空间沿弧相位差接口。因此,输出的波前波后通过劳动部地区传播的不面波垂直于这个平面界面,由于空间相位差。因此,源设备应放置在同中心地确保输入波前保形的接口,从而输出波垂直于界面的输出。

4所示。结论

在本文中,我们从理论上证明石墨烯能像小说劳动部材料。劳动部石墨烯的应用之一,多光束波分配器。波的光束分裂器控制设计的多边形轮廓劳动部石墨烯层。操作频率可以通过改变栅电压设计。仿真结果验证了设计的有效性。劳动部石墨烯可能转型等离子体光学中的重要应用和拟议中的波分配器可以用于生成多个波束的SPP波。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是由中国国家自然科学基金(批准号61271057);东南大学研究生院的科研基础;中央大学的基础研究基金;和江苏省研究生教育创新计划(批准号CXLX13_092]。

引用

1. 答:运算器,m . g . Silveirinha a . Salandrino和n . Engheta”Epsilon-near-zero超材料和电磁来源:裁剪的辐射模式阶段,“物理评论B,卷75,不。15篇文章ID 155410 2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. t·r·刘问:Cheng手et al .,“演示实验的电磁隧道通过epsilon-near-zero超材料在微波频段,”物理评论快报,卷100,不。2、文章ID 023903, 2008。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. m . Silveirinha和n . Engheta“隧道的电磁能量通过亚波长通道和弯曲ε接近于零的材料。”物理评论快报,卷97,不。15篇文章ID 157403 2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. m·a·t . y . Kim Badsha, j . Yoon郑胜耀李,y . c .小君和c k . Hwangbo”总体战略实现多波长宽带相干完美吸收和转换基于epsilon-near-zero多层电影,”科学报告》第六卷,ID 22941条,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. s . Campione j·r·比·g·a·基勒和陆t . s .,“近红外超材料和epsilon-near-zero模式之间的强耦合简并掺杂半导体nanolayers”ACS光子学,3卷,不。2、293 - 297年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. t . s . Lee Tran, m . Kim h . Heo j . Heo和s .金”角度,position-insensitive电可调在石墨烯吸收epsilon-near-zero效应,”光学表达,23卷,不。26日,第33358 - 33350页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 美国伊诺克,g . Tayeb, p . Sabouroux:吉林,和p·文森特,“指令发射的超材料,”物理评论快报,卷89,不。21日,ID 213902条,2002年。视图:谷歌学术搜索
8. 赖,c . Caloz t .伊藤,“复合右/左手传输线超材料,”IEEE微波杂志,5卷,不。3,34-50,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. j·g·里瓦斯c Janke·h·玻利瓦尔和h . Kurz”传输太赫兹辐射通过InSb亚波长光栅的光阑,”光学表达,13卷,不。3、847 - 859年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. w·g·斯皮策,d . Kleinman和d·沃尔什“六角碳化硅的红外特性,”物理评论,卷113,不。1,第132 - 127页,1959。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. f·j·g . de Abajo”石墨烯等离子:挑战和机遇,ACS光子学,1卷,不。3、135 - 152年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. N.-H y风扇。沈、t . Koschny和c . m . Soukoulis“可调谐太赫兹与石墨烯剪除铁丝网meta-surface,”ACS光子学,卷2,不。1,第156 - 151页,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 答:k和k . s .毋庸置疑,“石墨烯的崛起,”自然材料》第六卷,没有。3、183 - 191年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. a·h·卡斯特罗否决权,f .几内亚、n·m·r·佩雷斯k . s .诺沃肖洛夫和a·k·海姆,“石墨烯的电子性质。”现代物理学的评论,卷81,不。1,第162 - 109页,2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. a·k·海姆,“石墨烯:现状和前景,”科学,卷324,不。5934年,第1534 - 1530页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. a . Vakil和n . Engheta“变换光学使用石墨烯,”科学,卷332,不。6035年,第1294 - 1291页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. y, z . Liu f . Zhang et al .,”可调中红外相干在石墨烯meta-surface完美吸收,”科学报告卷,5篇文章ID 13956, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. m . Jablan h . Buljan, m . Soljačić”在石墨烯在红外频率等离子,”物理评论B,卷80,不。24篇文章ID 245435 7页,2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 洛杉矶Falkovsky和a . a . Varlamov“时空分散石墨烯的导电性,欧洲物理期刊B卷,56号4、281 - 284年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. c·r·迪恩,a . f .年轻,即美力克et al .,“氮化硼基板高质量石墨烯的电子,”自然纳米技术,5卷,不。10日,722 - 726年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. k . s .诺沃肖洛夫a·k·海姆美国诉Morozov et al .,“自动薄碳膜电场效应”,科学,卷306,不。5696年,第669 - 666页,2004年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 洛杉矶Falkovsky和s . s . Pershoguba光学远红外性能的石墨烯单层和多层,”物理评论B,卷76,不。15篇文章ID 153410 2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. a . Vakil和n . Engheta“傅里叶光学在石墨烯上,”物理评论B,卷85,不。7篇文章ID 075434 4页,2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. s . h . Lee m .崔T.-T。金et al .,“切换闸控活跃的石墨烯超材料的太赫兹电波,”自然材料,11卷,不。11日,第941 - 936页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. l . Ju耿,j . Horng et al .,“可调谐太赫兹超材料石墨烯等离子,”自然纳米技术》第六卷,没有。10日,630 - 634年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. g·w·汉森,“二元格林函数的各向异性,非本地的模型有偏见的石墨烯,”IEEE天线和传播卷,56号3、747 - 757年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. CST微波工作室,春秋国旅的计算机仿真技术,http://www.cst.com/。
28. 问:赵,z, f . Zhang et al .,“可裁制成衣的零相位延迟的亚波长粒子对小型波操纵设备,“先进材料,27卷,不。40岁,6187 - 6194年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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