基于二氧化钒的多功能超材料器件的设计与研究.pdf

中文摘要

超材料是具有亚波长单元结构的人工合成材料。超材料吸收器和极化转换器由

于具有体积小、结构设计灵活、易于片内集成等优点而受到许多研究人员的青睐。此

外，当整体厚度远小于工作波长时，电磁超材料器件也被称之为电磁超表面器件。近

十年来，对于具有单一功能的超材料器件的研究已经不乏其数，在太赫兹(THz)波段，

将多种功能集成到同一个超材料器件中并且让其具有动态可切换功能仍然是一个挑

战。随着可调谐材料的兴起，诸如石墨烯、二氧化钒(VO)等材料，由它们所组成的

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超材料或超表面器件为这一问题提供了一个解决方案。多功能超材料器件的提出和

发展，为大大减少器件设计周期和降低成本提供了很好的思路并且得到了许多研究

人员的广泛关注。

基于上述特点，本文研究基于VO2的能实现吸收和极化转换两种功能可切换的

双功能超材料器件，利用电磁仿真软件CSTMicrowaveStudio2019(CST)对器件的吸

收和极化转换特性进行研究。通过结合新型介质材料，不断优化结构参数来实现完美

吸收和极化转换。主要研究内容如下：

(1)提出了一款基于VO2的可以在THz波段范围内实现宽带吸收与宽带线极化

转换的双功能超材料器件。研究结果表明，当VO2处于金属态时，该器件具有较宽

的工作带宽，并且在相应的频段内吸收率大于90%，相对带宽为80.6%。当VO2处

于绝缘态时，其在1.54-4.18THz频率范围内的极化转换率大于90%，相对带宽高达

92.31%。此外，我们还讨论了几何参数对吸收和极化转换性能的影响，结果表明，所

设计的THz双功能器件对入射角、极化角以及几何参数尺寸均有较高的容忍度。同

时，通过使用多重反射干涉理论(MRIT)来验证CST模拟结果，结果表明，理论结果

与模拟结果吻合的非常好。

(2)提出了一款基于VO2和石墨烯的双控THz多功能超材料器件。通过改变VO2

的状态和控制石墨烯的化学势，可以在THz波段实现单频吸收和线极化转换的功能

切换。通过模拟表面电流和电场分布，并进行本征模分解，从理论上分析了该器件的

工作机理。当VO2处于金属态并且石墨烯的化学势为0.65eV时，所提出的器件可以

表现为单波段吸收器，其在1.8768THz处的吸收率大于99.9%。此外，还讨论了石

墨烯化学势和弛豫时间对吸收率的影响，结果表明，该吸收器可作为THz开关使用。

当VO2处于绝缘态并且石墨烯的化学势为0eV时，所提出的器件将工作在宽带线极

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化转换器的模式，它可以将入射的y/x偏振THz电磁波转换为与其正交的x/y极化

波。通过使用MRIT验证了仿真结果，结果表明，理论结果与CST仿真结果吻合良

好。本文的研究结果可以为在实际应用中使用VO2或石墨烯设计多功能THz器件提

供一定的理论指导。

关键词：超材料；二氧化钒；多功能器件；超材料吸收器；超材料极化转换器

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ABSTRACT

Metamaterialsareartificiallysyntheticmaterialswithsub-wavelengthunitcell

structures.Metamaterialabsorbersandpolarizationconvertersarefavoredbymany

researchersduetotheircharacteristicsofsmallsize,flexiblestructuredesign,andeaseof

on-chipintegration.Inaddition,electromagneticmetamaterialdevicesarealsoreferredto

aselectromagneticmetasurfacedeviceswhentheover