石墨烯超材料电磁散射特性研究

石墨烯超材料电磁散射特性研究

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

Abstract

Physicist Andre 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. Since graphene was found in 2004, its application has attracted amount of attention around the world.

M etamaterials 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, with 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 the 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 possibility to realize different amplitude and phase of unit model.

(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, 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 (1)

1.1石墨烯的发展历史及研究现状 (1)

1.2超材料的发展历史及研究现状 (3)

1.3 CST软件简介 (4)

1.4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 (8)

2.1石墨烯电磁建模的方法 (8)

2.2石墨烯的电导率 (8)

2.3石墨烯模型阵列单元模型 (9)

2.4本章小结 (11)

第3章散射波瓣形状控制阵列模型的建立 (12)

3.1石墨烯阵列单元的选取 (12)

3.2阵列模型的建立 (12)

3.3仿真结果分析 (13)

3.4本章小结 (14)

第4章散射波瓣方向控制阵列模型的建立 (15)

4.1石墨烯阵列单元的选取 (15)

4.2阵列模型的建立 (16)

4.3仿真结果分析 (16)

4.4本章小结 (17)

第5章模型的改进 (18)

5.1单元模型结构的修改 (18)

5.2阵列仿真方法优化 (20)

5.3本章小结 (21)

结束语 (22)

附录1：石墨烯表面阻抗MATLAB程序 (23)

附录2：公式3.1的证明 (25)

附录3：石墨烯超表面散射场MATLAB程序 (26)

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。[2]2004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/（m·K），室温下其电子迁移率超过150002

cm/（V·s），而高于碳纳米管或硅晶体，仅电阻率又低于铜或银，只有约6

10 Ω·cm，为世界最低电阻率的材料。[15]因为它的低电阻率，电子运行速度快，因此预期其可用于开发更薄，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（carbon——carbon 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，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Graphenano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]