太赫茲波段碳納米管宏觀體輻射研究.pdf

1、由于其直徑小、強(qiáng)度高、韌度大等優(yōu)點(diǎn),碳納米管在納米系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。強(qiáng)載流能力及優(yōu)越的導(dǎo)電性能,使其能夠作為信息發(fā)射及接收裝置,來(lái)實(shí)現(xiàn)宏觀系統(tǒng)與納米系統(tǒng)之間的高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸。但一直以來(lái),由于碳納米管具有量子力學(xué)特性,所以不能利用傳統(tǒng)的計(jì)算軟件來(lái)對(duì)其進(jìn)行仿真研究,同時(shí)其阻抗高、生長(zhǎng)不穩(wěn)定,因而限制了碳納米管在電磁領(lǐng)域的發(fā)展。為了從本質(zhì)上對(duì)碳納米管的電磁特性進(jìn)行分析,本文從量子力學(xué)理論和電磁理論兩方面出發(fā),對(duì)碳納米管的散射特性以及由其

2、所構(gòu)成的天線的輻射特性進(jìn)行了理論分析及數(shù)值計(jì)算,得到了碳納米管散射寬度的變化規(guī)律以及天線的空間電流分布、遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)等,為其在光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天線等領(lǐng)域應(yīng)用提供了可靠的理論基礎(chǔ)。
　　本文的研究?jī)?nèi)容主要分兩大部分,分別為碳納米管在平面波激勵(lì)下的散射特性以及碳納米管偶極子天線的輻射特性。
　　首先,本文基于 Mie散射理論,并結(jié)合由量子力學(xué)理論推導(dǎo)得出的碳納米管電導(dǎo)率表達(dá)式與邊界條件,推導(dǎo)得出了單壁碳納米管在不同極化、不同入射角度

3、電磁波激勵(lì)下的散射場(chǎng)、透射場(chǎng)以及散射寬度的半解析表達(dá)式,并將計(jì)算結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了利用Mie散射理論來(lái)分析碳納米管散射特性的有效性。計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng) TMz極化的歸一化平面波以任意角入射到碳納米管上時(shí),能夠產(chǎn)生諧振頻率達(dá)到太赫茲波段的反射電磁場(chǎng);當(dāng) TEz極化的歸一化平面波以60°-120°之間任意角入射到碳納米管上時(shí),能夠產(chǎn)生諧振頻率達(dá)到近紅外波段的反射電磁波。
　　其次,由于單壁碳納米管的輻射效率過(guò)低,本文對(duì)

4、多壁碳納米管在TMz極化波垂直入射下的散射特性進(jìn)行了計(jì)算,并對(duì)不同層數(shù)的碳納米管的散射寬度進(jìn)行了比較分析。研究結(jié)果表明,增加碳納米管的層數(shù)可以有效地提高碳納米管天線的輻射效率,并且對(duì)輻射波頻率影響不大。
　　第三,針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中較少單獨(dú)使用碳納米管,且碳納米管天線的輻射特性不理想的情況,本文提出并建立了7個(gè)由碳納米管和電介質(zhì)組成的模型,該模型涵蓋了兩種材料的所有組合形式。進(jìn)一步,通過(guò) Mie散射理論,計(jì)算了碳納米管、不同電介質(zhì)組合

5、的電磁特性,并將所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,從理論上驗(yàn)證了可以通過(guò)互相加載的方式,來(lái)提高電介質(zhì)器件的材料特性以及碳納米管器件的輻射特性。同時(shí),也為碳納米管在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基本的理論依據(jù)。
　　第四,由于碳納米管具有微觀特性,很難利用宏觀電磁仿真軟件對(duì)碳納米管天線的輻射特性進(jìn)行研究,為了解決此問(wèn)題,本文首先結(jié)合碳納米管的微觀量子特性,建立了由兩根碳納米管組成的傳輸線的等效電路模型,根據(jù)電路理論以及傳輸線理論,得到了在無(wú)損耗以及低損耗