基于時域有限差分法的石墨烯器件仿真算法.pdf

1、石墨烯(Graphene)作為一種二維納米材料，其奇特的物理特性激發(fā)了它在物理化學等多個領域的應用，石墨烯電池、石墨烯天線、石墨烯表面等離子體(Graphene Plasmatic)器件等都慢慢走入人們的視線。但受到制備及檢測工藝的限制，石墨烯器件的研制和性能測量需要借助于相當復雜的納米制造和測量實現(xiàn)。利用電磁仿真算法實現(xiàn)基于石墨烯的電磁器件的仿真與設計已成為目前亟待解決的問題之一。
　　本文的研究分別從表征石墨烯電磁響應的等效介

2、電常數(shù)和表面導電率出發(fā)，利用矢量擬合(vector fitting)方法得到的復共軛極點留數(shù)模型將石墨烯的電磁響應參數(shù)有效的耦合到Maxwell方程中，應用時域有限差分方法（finite-difference time-domainmethod，F(xiàn)DTD）解決了不同頻段和不同環(huán)境參數(shù)下石墨烯器件的電磁仿真問題。
　　首先，本文簡要討論了時域有限差分法，通過賦予石墨烯一定的厚度實現(xiàn)了復共軛極點留數(shù)模型表示石墨烯介電常數(shù)的矢量擬合方法

3、，通過輔助微分方程法將其與FDTD仿真方法相結合，推出一種基于復共軛極點留數(shù)模型的石墨烯FDTD仿真方法。結合該方法，本文創(chuàng)新性的設計并仿真了太赫茲波段下的兩種基于石墨烯的可調帶隙光子晶體結構。仿真結果表明，石墨烯的加入拓寬了光子晶體的光子帶隙，為該結構帶來可調光子帶隙的性質。利用解析理論驗證了算法的正確性。
　　其次，對石墨烯的等效介電常數(shù)進行擬合和仿真的方法受制于較小的空間步長剖分，將使得計算機內存需求過高、計算時間過長。為解

4、決這一問題，本文詳細討論了三種應用于不同波段的表面電導率模型（非頻變表面電導模型、Drude模型和矢量擬合模型），利用電磁場歐姆定律將石墨烯的這幾種導電率模型耦合到Maxwell方程中，并通過FDTD方法獲得石墨烯上的表面電流分布，進而求解石墨烯器件的電磁響應，解決了基于等效介電常數(shù)模型的石墨烯FDTD仿真方法的不足。
　　最后，本文運用基于歐姆定律的石墨烯器件FDTD仿真方法，有效仿真了石墨烯法布里-珀羅吸波器，石墨烯光柵結構、