石墨烯包覆的旋电平板中可调的表面等离激元—极化激元开题报告

1. 研究目的与意义

1.背景：石墨烯为二维的碳原子晶体，展现出非凡的物理性能。它的电磁响应（在一次电磁场激发下，产生的二次电磁场强度(包括振幅和相位或实、虚分量)随频率的变化关系或随时间的衰减关系。按照激发一次场形式可分为频率响应和时间响应.)通过表面电导率(表示物质传输电流能力强弱的一种测量值)来表征，利用化学掺杂或栅极(由金属细丝组成的筛网状或螺旋状电极。多极电子管中最靠近阴极的一个电极，具有细丝网或螺旋线的形状，插在电子管另外两个电极之间,起控制板极电流强度、改变电子管性能的作用。)电压可以改变其化学势，从而改变其表面电导率，影响其电磁特性。实验和理论证明石墨烯是能工作在太赫兹(太赫兹光谱技术不仅信噪比(描述信号中有效成分与噪声成分的比例关系参数)高，能够迅速地对样品组成的细微变化作出分析和鉴别，而且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术，使它能够对半导体、电介质薄膜及体材料的物理信息进行快速准确的测量。)至中红外(实现数据的无线传输)频段的优秀的等离激元材料。如果石墨烯与其它材料结合组成复杂的微结构，可以有更多的可调参数，会产生更丰富的物理特性。

极化激元的研究概况:1950年，黄昆综合介质的电磁理论和晶格动力学理论对极性晶体提出了一对唯象方程。它提供了处理极性晶体光学振动的基础，被称为"黄方程"。1951年黄昆从黄方程出发，又推导出晶体中的声子与电磁波的耦合振荡模式。他所预见的声子与电磁波的耦合振动模式于1963年首先被半导体磷化镓的ra-man散射实验所证实，被命名为极化激元。后来发现其他物质振动也有类似的与电磁波的耦合模式，也被称为极化激元。极化激元成为分析固体光学性质的基础，黄昆的工作在国际上被看作是极化激元领域的里程碑式的工作。70年代后期和80年代初期，黄昆探讨了多声子复合理论中绝热近似是否失效的问题和无辐射跃迁的绝热近似及静态耦合理论，指出康登(condon)近似实际上包含有微扰处理上的错误，并提出了选择非康登近似波函数的理论判据。在此基础上，他证明了在晶格弛豫只限于电子-声子相互作用的对角部分以及非对角部分只限于一级微扰处理的范围内，绝热近似和静态耦合理论是完全等价的。这一结论，从理论上肯定和统一了无辐射跃迁理论的主要成果，并对其后无辐射跃迁几率的实际计算工作具有重大的指导意义。1982年，黄昆等又把多声子跃迁理论中广泛采用的单频模型推广为多频模型，提出了声子模型统计分布，揭示了多声子理论的一个新的方面，阐明在多声子跃迁中发射了哪些声子。1983年，他又对多频模型中最陡下降法的理论基础做进一步探讨，证明了当声子数足够多时，由最陡下降法得到的跃迁几率与由严格理论得到的结果是一致的。

石墨烯的优点以及引入我们结构的意义：石墨烯是一种多功能，宽带可调的光学材料。石墨烯的多功能性意味着石墨烯等离子体可以应用于制造新型光学器件，这些光学器件的工作频率范围可以从太赫兹到可见光，同时具有驱动电压低，功耗低和微小物理特征等优点。虽然，贵金属，如金、银，具有在红外和可见光区域产生表面等离激元（spp）的能力，一直都被用来制作光学超材料。但是，对于贵金属介电常数函数的控制和改变，具有很大的困难，而且存在材料损失，特别是在可见光的波段，降低了等离子共振的质量，并限制了spp波沿着金属和介电材料的交界面的相对传播长度。这些缺点制约了超材料和变换光学器件的功能。研究表明，石墨烯具有特殊的电子输运性质，有利于光电应用，所以，石墨烯作为超材料和变换光学器件的平台很有优势。强大的可调谐的等离子体与光的相互作用，以及石墨烯优良的电气性能和其可以微/纳米加工的兼容性，为基于石墨烯的太赫兹超材料和光电子器件带来了光明。

2. 研究内容和预期目标

1. 外磁场采用Voigt形式施加在旋电平板上，结合其张量

   （一个定义在一些向量空间和一些对偶空间（对偶空间构造是行向量(1×n)与列向量(n×1)的关系的抽象化。这个结构能够在无限维度空间进行并为测度）的笛卡儿积上的多线性函数，其坐标是|n|维空间内，有|n|个分量的一种量，其中每个分量都是坐标的函数，而在坐标变换时，这些分量也依照某些规则作线性变换。r称为该张量的秩或阶（与矩阵的秩和阶均无关系）。）

   电容率（电容率关系到电介质传输(或容许)电场的能力）和麦克斯韦方程组，在标准电磁边界条件下，导出等离激元满足的色散方程。
2. 掌握石墨烯电导率在不同条件下的表达式及相关机理。
3. 推导旋电平板中电磁场的转移矩阵（一个系统的某些因素在转移中，第n次结果只受第n-1的结果影响，即只与当前所处状态有关，而与过去状态无关。)。
4. 通过数值模拟，讨论等离激元的场约束和衰减特性，讨论平板厚度、化学势、电磁波频率、外磁场强度（大小和方向）等因素对等离激元传播特性的影响。找出有效控制极化激元传播长度的条件和物理因素。

3. 研究的方法与步骤

1. 信息研究方法：收集与课题有关的各种信息，加工和整理。

2. 数学方法：利用数学工具处理研究内容。

3. 模拟法（模型方法）：通过数值模拟，讨论等离激元的场约束和衰减特性，讨论平板厚度、化学势、电磁波频率、外磁场强度（大小和方向）等因素对等离激元传播特性的影响。
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   4. 参考文献

   [1] h. raether, surface plasmons on smooth and rough surfaces and gratings, springer, berlin, 1988.

   [2] s. a. maier, plasmonics: fundamentals and applications, springer,berlin, 2007.

   [3] k. l. kliewer and r. fuchs, phys. rev. 144 (1966) 495-503.

   [4] r. ruppin and r. englman, j. phys. c 1 (1968) 630-643.

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   5. 计划与进度安排

   3月1日~3月13，按任务书要求写开题报告并提交；

   3月14日~5月20日，按开题报告撰写论文；

   4月18日~4月29日，中期检查；

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