基于平面石墨烯人工材料表面等离子体激元的太赫兹波传输特性及调控方法研究

Although many studies are focused on terahertz (THz) technologies, there are still no efficient methods on transmission and modulation of THz waves. Recently, graphene waveguide basing on surface plasmon effect has received substantial attention among researchers at home and abroad, as the characteristics of surface plasmon polaritons (SPPs) are related to chemical potential energy of graphene. However, the propagation of SPPs on graphene at THz range is still not achieved. Experienced researchers from microwave technology, material science and nanotechnology areas will systematically investigate the mechanism of SPPs on graphene plasmon metamaterial. The entire research will focus on three sub-projects: (1) Creating the dispersion model of SPPs. (2) Based on the dispersion model and numerical analysis model, the general law of mode distributions and transmission characteristics of SPPs will be explored. (3) Modulation methods will be studied, phase characteristics and transmission losses of SPPs based on the fabricated metamaterial with different bias conditions of the graphene layer will be measured in the laboratory to verify and perfect the theoretical research results. This project may provide theoretical basis for the design of THz devices based on graphene plasmon metamaterial.

缺乏太赫兹波传输和调控的有效手段，日益成为太赫兹应用的主要瓶颈。近年来，基于表面等离子体激元(SPP)效应的石墨烯波导逐渐受到国内外学者的关注，石墨烯化学势能可调的特点为SPP的调控提供了基础。然而，现有的石墨烯波导尚无法在太赫兹频段实现SPP的有效传播。本项目集中电磁场理论、材料工艺、微纳制备学科人员，围绕一种工作于太赫兹波段的小型化且易于平面集成的新结构−平面石墨烯人工材料展开研究，建立平面石墨烯人工材料的理论模型，并以此为基础进行太赫兹频段下SPP的传播特性和调控方法的研究。具体研究内容涵括三个方面：（1），建立平面石墨烯人工材料的SPP色散模型；（2），基于色散模型，结合数值模拟方法研究SPP的模式分布及传输特性；（3），研究SPP的调控方法，并进行实验测试和验证。 本项目的研究将为太赫兹波的传输和调控提供一种新的手段，并为基于平面石墨烯人工材料的太赫兹器件研究奠定理论基础。

由于石墨烯上所激发的SPP拥有高度的动态可调性、极强的能量局域性，以及在太赫兹至中红外波段的低损耗特性，可为太赫兹至中红外波段电磁波的传输与调控提供有效手段。本项目建立了石墨烯材料的理论模型，并以此为基础对石墨烯SPP的传输特性与调控方法进行了研究。具体内容包括如下三个方面：(1) 基于时域有限差分(FDTD)算法，建立平面石墨烯人工材料SPP色散模型；(2) 基于色散模型，对石墨烯SPP模式分布规律，及模式分布受几何参数与化学势能参数的影响进行了研究；(3) 对在SPP传输方向上具有直角缺陷的石墨烯结构的传输特性进行了研究，设计了若干石墨烯表面等离激元器件，并对石墨烯表面等离激元器件的调控特性进行了研究。本项目为基于平面石墨烯超材料的表面等离激元器件设计提供了理论依据，并为石墨烯在太赫兹波段的平面化集成提供了一定的参考。