二维材料及相关器件电磁特性的矩量法快速分析技术

The fast development of two-dimensional material and related devices urgently needs an efficient electromagnetic simulation method to analyze their electromagnetic characteristics and provide theoretical guidance for device design. Due to the dispersion error and lacking of fast algorithm to accelerate the solving process while using differential based method, it will need much computational cost. Therefore, this project starts from the integral equation with combining the structure characteristics of target, we will focus on the fast technology based on MoM for analyzing 2D materials and related devices, try to overcome the bottleneck problem of computing resource. Main research contents will include establishing a precise electromagnetic modeling of two-dimensional material, constructing efficient integral equation method for multi-medium and multi-region problem, constructing efficient H matrix compression method and designing the equivalence principle method and its fast algorithm for the analysis of large-scale connected structures.

二维材料及相关器件的蓬勃发展迫切需要一种快速高效的电磁仿真方法来分析其电磁特性，为器件设计提供理论指导。由于目前常用的基于微分方程类的数值算法存在数值色散误差且缺乏快速算法对整个求解过程进行加速，计算成本大。因此本项目从积分方程出发，结合分析目标的结构特点，研究分析二维材料及相关器件电磁特性的矩量法快速分析技术，克服计算资源消耗大的瓶颈问题，最终达到快速高效分析的目的。主要研究内容包括：建立二维材料的精确电磁模型，构造多媒质多区域的高效积分方程方法，构造高效的H矩阵压缩方法以及设计分析大规模伪周期互连结构的等效面原理方法及快速算法。

二维材料及相关器件的蓬勃发展迫切需要一种快速高效的电磁仿真方法来分析其电磁特性，为器件设计提供理论指导。由于目前常用的基于微分方程类的数值算法存在数值色散误差且缺乏快速算法对整个求解过程进行加速，计算成本大。因此本项目从积分方程出发，结合分析目标的结构特点，研究分析二维材料及相关器件电磁特性的矩量法快速分析技术，克服计算资源消耗大的瓶颈问题，最终达到快速高效分析的目的。. 本项目以二维材料及相关器件为分析目标，以计算电磁学数值方法为基础，聚焦采用高效积分方程方法分析二维材料及相关器件研究领域的难点，主要研究内容包括：建立二维材料的精确电磁模型，构造多媒质多区域的高效积分方程方法，构造高效的H矩阵压缩方法以及设计分析大规模伪周期互连结构的等效面原理方法及快速算法。. 项目执行期间取得了一系列的研究成果，主要包括：1，提出了一种用于分析可调石墨烯的散射特性的时域薄介质层积分方程方法，该方法从体积积分方程出发，利用石墨烯单原子厚度的特点，将体积分方程转化成面积分方程处理，在仿真结果精度相当的条件下，我们的方法大大节省了内存和时间消耗。2，提出的基于内外迭代技术的面积分方程方法用于快速分析二维材料电磁散射问题，在内存消耗微增的情况下，针对不同的目标结构，仿真时间消耗变成原来一半至数十分之一不等。3，提出的可分析石墨烯电导率是张量情形下的TDS模型，用于分析石墨烯在静态静态磁场偏置下的电磁响应，利用该方法仿真了含石墨烯单元的阵列结构，得到了其太赫兹波段的吸收率。项目执行期间共发表SCI收录的相关论文7篇。. 由于越来越多的二维材料被发现以及广泛的用于各种新型光电器件中，二维材料及相关器件的电磁特性分析变得尤为重要，这也是器件设计中不可缺少的一个环节。因此本项目研究的快速高效的电磁仿真方法可以分析其电磁特性，为含有二维材料相关器件设计提供理论指导，具有重要的科学意义。