1、本科毕业论文（20 届）石墨烯超材料电磁散射特性研究所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖。自从2004 年被发现以来，石墨烯的应用掀起了世界各国科学家的研究热潮。超材料最初被称为左手材料（LHM）或负折射材料（ NIM） ，是由前苏联理论物理学家 Veselago 在 1968 年最先提出的，此后，随着研究的逐渐深入，众多突破性成果不断
2、涌现，这种新型复合材料的人工实现，极大地丰富了微波、电路、光学、材料学等领域的材料选择，其表现出的新颖电磁响应特性立刻成为国际物理学界和电磁学界研究的热点。本文的工作涉及一下几个方面内容：（1）石墨烯以及超材料的发展历史及研究现状。（2）石墨烯的建模方法，利用其电导率的可调性实现石墨烯模型的不同幅度特性及相位特性。（3）对石墨烯单元模型进行有规律的排列，形成阵列，通过不同的排列方式来操控电磁波散射波瓣呈现出不同的形状特性及方向特性。本文所建立的模型具有广泛的应用前景，比如相控阵天线技术、电磁隐身技术、电磁吸收技术等。关键词：石墨烯；超材料；散射波瓣IIAbstractPhysicist And
3、re Geim and Konstantin Novoselov from University of Manchester successfully separated graphene from graphite,and confirmed it can exist alone,the experiment was praised as a groundbreaking one for two-dimensional graphene materials，thus Andre and Konstantin shared the 2010 Nobel Prize for physics. S
4、ince graphene was found in 2004, its application has attracted amount of attention around the world.Metamaterials was originally called left-handed materials (LHM) or negative refraction material (NIM), first proposed by the former Soviet Union theoretical physicist Veselago in 1968. since then, wit
5、h the gradual in-depth study, many breakthrough emerged constantly. The artificial realization of this kind of new composite materials has greatly enriched the microwave,circuit, optical,materials and other fields.Its novel electromagnetic response immediately become an international hot topics in t
6、he study of physics and the electromagnetic field.In this paper, our work involves several aspects:(1) Develop_history and research staus of graphene and metamaterials.(2) Introduce modeling methods of the graphene,the adjustable characteristics of graphene electrical conductivity give us the possib
7、ility to realize different amplitude and phase of unit model. III(3) Form different arrays through regular arrangement of graphene unit model and gain electromagnetic scattering lobe with different shape and direction characteristics.The established model in this paper has wide application prospects
8、, such as the phased array antenna technique, the electromagnetic stealth technique and electromagnetic-absorbe technique, etc.Key words: graphene;metameterial;scattering lobe目 录第 1 章 绪论 .11.1 石墨烯的发展历史及研究现状 .11.2 超材料的发展历史及研究现状 .31.3 CST 软件简介 .41.4 论文的主要内容和安排 .6第 2 章 石墨烯阵列单元模型的建立 .82.1 石墨烯电磁建模的方法 .82
9、.2 石墨烯的电导率 .82.3 石墨烯模型阵列单元模型 .9IV2.4 本章小结 .11第 3 章 散射波瓣形状控制阵列模型的建立 .123.1 石墨烯阵列单元的选取 .123.2 阵列模型的建立 .123.3 仿真结果分析 .133.4 本章小结 .14第 4 章 散射波瓣方向控制阵列模型的建立 .154.1 石墨烯阵列单元的选取 .154.2 阵列模型的建立 .164.3 仿真结果分析 .164.4 本章小结 .17第 5 章 模型的改进 .185.1 单元模型结构的修改 .185.2 阵列仿真方法优化 .205.3 本章小结 .21结束语 .22参 考 文 献 .23致 谢 .24附录
10、 1：石墨烯表面阻抗 MATLAB 程序 .1附录 2：公式 3.1 的证明 .3附录 3：石墨烯超表面散射场 MATLAB 程序 .4V石墨烯超材料电磁散射特性研究1第 1 章 绪论1.1 石墨烯的发展历史及研究现状石墨烯，英文名称为 graphene，graphene 是由 graphite（石墨）和-ene（有机二烯烃）组成。 22004 年，曼彻斯特大学物理学家康斯坦丁诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）及安德烈海姆（Andre Geim）在试验中成功的分离出石墨烯，石墨烯就此诞生。在此之前，它一直被认为无法单独稳定地存在，仅仅是一种理想的模型。 8这两位科学家的卓越
11、贡献使得他们获得了 2010 年的诺贝尔物理学奖。 6如图 1.1 及图 1.2 分别为石墨烯原子结构图及实物图。图 1.1 石墨烯原子结构图 2 图 1.2 石墨烯实物图 6 石墨烯是世界上性能最好的纳米材料，自然条件下，入射到其上的光只有大约 2,3%的部分会被吸收掉，所以几乎是全透明的。 3石墨烯的导热性能也高于传统材料，如金刚石、碳纳米管，石墨烯的导热系数高达 5300 W/（mK），室温下其电子迁移率超过 15000 /（Vs） ，而高于碳纳米管或硅晶体，仅电2cm阻率又低于铜或银，只有约 cm，为世界最低电阻率的材料。 15因为它的610低电阻率，电子运行速度快，因此预期其可用于开
12、发更薄，导电更快的新一代电子元件。由于石墨烯本质上是一种透明的良导体，它也适用于生产透明触摸屏/光板甚至太阳能电池。 6石墨烯结构与石墨碳原子的单原子层相同，是 sp2 杂化的混成。 12轨道是蜂窝网格（honeycomb crystal lattice）结构，是单层的二维晶体。石墨烯可认为是由碳原子和它的共价键形成的网孔，被认为是平面的多环芳香族烃原子晶体。13石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carboncarbon bond）仅为1.42Aring。 7碳原子之间的内部连接是很柔韧的，当外力被施加在石墨烯的时候，碳原子面内弯曲变形会使得碳原子无需重排以适应外力故能维持一个稳定的结构。 9这种
13、稳定的晶格结构使石墨烯具有非常优异的导热性。此外，石墨石墨烯超材料电磁散射特性研究2烯的电子移动轨道，不会因为引进外来原子和晶格缺陷而导致散射的发生。由于原子在室温之下有非常强的作用力，即使碳原子的各处发生碰撞，石墨烯的内部电子破坏是非常小的。 14自从 2004 年被发现以来，由于其稳定的热性能、机械性能以及特殊的电性能，石墨烯的应用掀起了世界各国科学家的研究热潮。以下是在应用各种领域石墨烯的应用。 8超级计算机科学家已经发现并研究了石墨烯出色的导电性能，因此它十分适合用于高频电路领域，高频电路在现代工业中具有举足轻重的地位。某些电子器件，比如手机，现在设计者正试图往信号中添加越来越多的信息
14、，这要求使用更高的频率。频率的提高会导致更高的热量，因此频率范围会受到限制。 8然而石墨烯的诞生，高频提升似乎具有了无限光明的发展前景。这使得石墨烯在微电子领域也具有巨大的发展潜力，未来甚至考虑用其替代硅用于生产超级计算机。涂料济南墨希和西班牙研究中心共同研制出世界上第一种石墨烯矿物涂料，是格芬（Geffen ）石墨烯矿物涂料，因为它的天然成分没有扎实有力的骨架结构，格芬涂料中加入石墨烯纳米纤维，使得涂料中形成纳米网状架构，因此油漆附着力更强，具有超耐久性，耐擦洗性，防裂纹; 同时有效抵制了损坏砂浆的大气侵蚀因素的影响。在极端条件之下，仍然可以发挥其优异的性能，它不会开裂。石墨烯作为优良的热导
15、体，能够散射 99的红外线及 85紫外线，可以达到节能，保温的功效。光子传感器石墨烯制成的传感器具有很大的市场需求。光子传感器的作用是检测光纤中携带的信息，目前这种传感器主要是由硅来制作，但是石墨烯的出现使得材料的变革指日可待。2013 年，IBM 的一个小组展示了他们研究出来的石墨烯材料探测器，这为液晶显示屏打下了坚实的基础，石墨烯进军显示屏领域也就指日可待了。此外，极低的吸光率使得石墨烯在制造透光性面板时具有很强的优势。石墨烯电池电池储电量的问题是让厂家放弃生产电动车的主要原因，业内需要提高电池的效力和持续时间，以减少充电时间。 11这个让人头疼的问题可以马上得到解决。西班牙 Graphe
16、nano 公司（工业规模生产石墨烯的一家公司）与科尔多瓦大学（University of Cordoba）合作开发了第一个聚合材料石墨烯电池。最先进的锂电池的比能量数值为约 180wh/kg，而石墨烯电池的比能量超过 600600 wh/kg。 3也就是说，它的存储容量三倍于当今世界上最好的锂电石墨烯超材料电磁散射特性研究3池产品。这种电池的寿命很长，其寿命四倍于常规的氢电池，两倍于锂电池。用它来提供电动车的电能，车可行驶高达 1000 公里而这种石墨烯电池只需要不到八分钟便能充满电。 12 纳米电子器件中的应用2005 年，海姆（Geim）研究组与吉姆（Kim ）研究组发现，石墨烯在室温下的
17、载流子迁移率是市售硅的十倍。 5并且受温度和掺杂效应的干扰非常小，这是石墨烯纳米器件在电子工程领域最突出的优点，这个特点在制造弹道场效应管时具有光明的前景。较大的费米速度和低的接触电阻，有利于进一步降低器件的开关时间，超高频响应特性是石墨烯电子器件的另一个显著优势。另外，石墨烯被减小到纳米尺度，甚至一个单一的苯环也能保持良好的稳定性和电性能，从而给探索单电子器件提供了可能性。基因测序 DNA 四种碱基之间存在电子识别指纹，且导电石墨烯层的厚度小于 DNA 链中相邻碱基的间离，因此石墨烯有望被用于的直接的，快速的，成本低的基因电子测序技术。 7降噪美国 IBM 通过叠加相当于两层的单原子层的石墨
18、烯，试制成功并发布了新晶体管，通过在双层石墨烯之间生成的强电子结合作用，从而有效地控制噪音。 11.2 超材料的发展历史及研究现状超材料是微观结构人造复合材料，具有周期性或非周期性排列，其核心思想是通过复杂的人工微结构设计和加工，核心理论之一为描述电磁波传播轨迹与超材料特性的变换光学并基于此实现人造“原子 ”对电磁场或者声纳的响应。 5超材料技术是一个跨科技前沿，涵盖的技术领域包括电磁、微波、太赫兹光子、先进的工程系统、通信、半导体等。 6超材料的特性可以应用到功能元件，如纳米波导的发展、光束引导元件、表面等离子体光子芯片、滤波器、耦合器、调制器和开关，亚波长光学数据存储器、新光源、超衍射极限
19、高分辨成像、纳米光刻技术、生物传感器、检测器和军事隐身材料应用等 6。此后，随着研究的逐步深入，多项成果涌现出来。在 1999 年，英国帝国理工大学的约翰.培德里（John Pendry）教授设计出一种具有磁响应的周期结构，该结构采用由两个开口薄铜环内外相嵌套而形成的微型结构单元，即如图 1.3 所示的开口谐振环结构。 9在石墨烯超材料电磁散射特性研究4老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师
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27、辛苦了老师辛苦了老师辛苦了老师辛苦了2001 年，加利福尼亚大学谢尔比（Shelby）等人组合了铜线与开口铜环微结构单元并通过结构尺寸上的设计保证了负磁导率和负介电常数出现的频段相同，并在美国science杂志上发表了关于验证左手材料存在的文章。 5人工实施这一新的复合材料，极大地丰富了微波电路、光学、材料学，并引发了国际物理学界及电磁学界的研究热潮。相继实现一维和二维左手材料后，Gay.Balmaz 等人使用具有平面各向同性孔结构单元设计了基于 SRR 的基础上的如图 1.4 所示的模型，成功地制备了在两个方向上可表现出负磁导率的单负值超材料。 5Koschny 使用图 1.5 中所示的微结
28、构成功地准备实现各向同性的左手材料，如图1.6 所示。2003 年，加拿大多伦多大学的两组研究人员和美国波音公司“幻影工作室”的 C.Parazzoli 等人在实验中直接观测到了负折射现象； 2006 年，约翰彭德里（John.Pendry）教授和史密斯（Smith）教授等人共同预测出了超材料薄层能够让光线绕过物体从而使物体隐形并提出了隐身斗篷的雏形; 2009 年，中国的东南大学崔铁军与杜克大学的刘若鹏等人合作，研制出微波段地面目标的二维宽频带隐身衣；2011 年 2 月，英国伯明翰大学及加州大学伯克利分校的张翔课题组成功地在可见光波段中实现了隐身；2011 年 7 月，美国哥伦比亚大学机械工程系王琪薇教授等人采用了一种新的光纳米结构设计实现了了零折射率的“超材料”。 5 科技界广泛关注超材料技术的突破性进展。2003 年所研发的“负折射率左手材料”与 2006 年研发出的 “超材料隐身斗篷”被science杂志评选为“ 世界十大科技突破” ；2007 年 Materials Today评选超材料技术为材料科学领域在图 1.3 开口谐振环图 1.6 Shelby 等人制备的左手材料图 1.5 各项同性左手材料结构单元图 1.4 平面各项同性磁谐振结构单元
