辛体系下石墨烯纳米带阵列中太赫兹波传播特性与调控方法研究

Graphene nanoribbons (GNRs) are novel nanomaterials with unique band structures and electron transport properties, and the periodic array structure designed with GNRs has a good prospect in the development of terahertz micro/nano electromechanical systems. However, the propagation characteristics of terahertz wave in this kind of structure are not clear, and lack of the effective control method of terahertz wave, which seriously constrains its application in terahertz function devices. In this project, aiming at the periodic array of GNRs, we propose a symplectic method for this kind of structure to study the propagation law of terahertz waves in the array under the coupling of multi-physics field, and form a set of methods to precisely control the terahertz wave propagation. The main research contents include: establish a symplectic system for the terahertz wave propagation in GNRs array, and explore the intrinsic relationship between the symplectic geometry method and the physical properties of the system; reveal the influence mechanism of the special properties of GNRs on the reflection, transmission and absorption performances of terahertz wave, and develop a set of control methods for terahertz wave propagation according to the optimization results of GNRs array parameters. The implementation of this project is expected to enrich the basic theory of symplectic system and extend the scope of application of symplectic method. The research results will provide direct theoretical guidance and scientific basis for the development, design, manufacture and use of new terahertz micro-nano functional devices.

石墨烯纳米带（GNRs）是具有独特能带结构和电子运输性能的新型纳米材料，基于GNRs设计的周期性阵列结构在太赫兹微纳机电系统研发方面具有良好的应用前景。然而该类结构中太赫兹波传播特性尚不明确，缺乏对太赫兹波的有效调控方法，严重制约了它在太赫兹功能器件方面的应用。本项目针对周期性GNRs阵列结构，提出一种适用于该类结构的保辛算法，研究多物理场耦合下太赫兹波在阵列中的传播规律，形成一套精确调控太赫兹波传播的方法。主要研究内容包括：建立GNRs阵列中太赫兹波传播的辛求解体系，探索辛几何方法与系统物理性质之间的内在关系；揭示阵列特殊性质对太赫兹波反射、透射和损耗吸收等性能的影响机理；结合阵列参数优化结果，发展一套太赫兹波传播的调控方法。本项目的实施有望丰富辛体系的基本理论，扩展辛数学方法的应用范围；研究成果将为新型太赫兹微纳米功能器件的研发、设计、制造和使用提供理论指导和科学依据。

石墨烯纳米带阵列结构作为一种新型的纳米元件，具有特殊的力学、电学以及化学等性质，已被广泛应用于纳米机电系统（NEMS）和纳米光机系统（NOMS）。这些器件的设计、制造及使用都依赖于石墨烯纳米带阵列的动力学性质，因此研究其动力学特性具有重要的意义。多层石墨烯纳米带间通过范德华力相连，在波传播过程中，呈现出两种振动模式，即同向振动和反向振动。本项目基于薄板理论和非局部弹性理论，引入辛对偶变量，建立了多层石墨烯纳米带动力学问题的哈密顿正则方程。利用辛数学方法，获得石墨烯纳米带结构太赫兹波传播的色散关系，揭示了材料和几何参数对太赫兹波传播的影响机理。此外，提出在多物理场耦合作用下，四边自由和悬臂石墨烯纳米带结构振动和屈曲问题的辛叠加法，分析了磁场、温度场、尺度效应和几何参数对石墨烯纳米带频率、临界屈曲荷载和模态的影响规律。在本项目研究的启发下，提出具有复杂边界条件的石墨烯纳米带质量传感器，推导出多物理场耦合下质量传感器振动的解析解，分析了传感器灵敏度关键影响因素。本项目研究成果将为石墨烯纳米带功能器件的研发、设计和使用提供理论指导和科学依据。