材料工程-广角扫描石墨烯-B

关于超表面 可编程超表面思维导图，可编程超表面是一种能够以数字编程方式实时调控电磁波的技术。希望对你有所帮助！

Wide-Angle Scanning Graphene-Biased Terahertz Coding Meta-Surface

二,设计和结果:

图1展示了石墨烯偏置太赫兹编码超表面的结构和所需扫描辐射的合成。

图1由一系列石墨烯条组成，在接地石英衬底(相对介电常数= 3.8)上的缝隙阵列间隙中，用多晶硅垫来修改石墨烯表面导电性，作为施加直流电压的函数。

多晶硅衬垫可以忽略掉，因为它们很薄，并且具有与石英衬底相似的相对介电常数(相对介电常数 = 3)[19]。

石墨烯的制备方法:石墨烯是通过化学气相沉积(CVD)在Cu催化剂上生长的，然后转移到绝缘层上，并通过电子束光刻进行图像化[20]。通过这种生长和转移方法可以实现所提出的具有期望性能的石墨烯超表面。

石墨烯的编码方法:通过调节缝隙石墨烯元件的化学势，将每个缝隙的辐射状态切换到规定的辐射状态，从而实现束控超表面的完美编码功能。 该超表面由100个缝隙组成，石墨烯偏置太赫兹编码超表面的单元结构参数为l = 35µm, w = 2µm, p = 15µm, h = 25µm, t = 20 nm, d = 150µm。

石墨烯在低频太赫兹下的导电率公式:石墨烯在低太赫兹波段的表面导电性可以用Kubo公式来描述[21]

本文的弛豫时间为t = 1 ps，室温为t = 300 K。 根据Kubo公式，通常将模拟石墨烯层视为阻抗表面或超薄体层。

石墨烯的导电性可以通过多晶硅片施加直流电压来调节其化学势来调节。

这样的特性让我们可以设计石墨烯表面电导率，然后操纵石墨烯等离子体，实现石墨烯偏置编码元表面的可调谐电磁响应。

石墨烯中的载流子密度调节:

对于非化学掺杂的石墨烯，石墨烯的载流子密度ns可以通过直流偏置电压来调节:

化学势μc与载流子密度ns的关系:

化学势0 eV使石墨烯偏置缝隙处于0 V直流电压对应的导通状态“1”，化学势1 eV使石墨烯偏置缝隙处于75 V直流电压对应的关断状态“0”。

基于石墨烯偏置的太赫兹超表面对应的远场辐射方向图可以通过累积从所有缝隙发出的电磁场来近似:

编程超表面实现波束调控的原理:

由此可以确定整个辐射孔径上缝隙的1/0状态与规定的辐射方向的理想关系，如图2a所示，其中红带表示状态“1”，黑带表示状态“0”，其中石墨烯偏置太赫兹超表面具有100个可切换的超缝隙。

非常紧密排列的缝隙实现了广角扫描能力，我们可以观察到理想的可操纵光束具有−80◦到80◦的扫描范围，如图2b所示。

用cst全波仿真进行对设计的验证:

图3中进行了全波模拟(CST Microwave Studio)，以验证所提出的石墨烯偏置太赫兹编码超表面。不同工作状态下的超缝隙对导波的影响是不同的，因为缝隙的辐射会影响导波的传输，导致导波的能量衰减，并伴有额外的相移[23]。

1和0分别代表的状态:

当通过化学势为0eV的门控片施加低偏置电压时，超缝隙将作为具有良好透过率的介电窗口.在这种情况下，缝隙可以建模为具有强辐射能力的极化磁偶极子。因此，施加0 eV化学势的编码石墨烯元件将打开缝隙作为状态“1”表示辐射，石墨烯单元的每个“1”状态都会向导波引入3.5度的相移。另一方面，当石墨烯的化学势为1 eV时，通过对石墨烯施加较高的偏置电压，缝隙的透过率将变得非常小，其物理性质将更接近导体。此时缝隙类似于电磁屏蔽屏，只能辐射非常微弱的电磁场,这时石墨烯元素对导波的影响可以忽略不计。

对缝隙带来的额外相移进行修正:

图3b显示了所提出的元表面横切面上的归一化电场强度。

!!!重要:准瞬变电磁波沿结构传播时，能量逐渐向自由空间辐射。仿真得到的电场强度分布与预期结果一致。(因为本论文没有加工实物,所以用理论分析的结果和仿真的结果作对比.!!!!)

图3c说明了天线的性能,半功率带宽,第一副瓣等仿真结果与理论预测的很一致.

说明自己设计的超表面的性能,能量利用率等:

作者认为理论预测和仿真实验得到的结果中的微小差异来自于理论预测没有考虑缝隙之间的互耦.

图4说明了天线的波束扫描性能:

仿真结果与理论结果的差异小于5度，如图 图4 c。

诚恳的说明自己进行仿真实验的不足之处:

值得注意的是，在这种模拟中，我们使用了理想的单层石墨烯模型，而没有考虑石墨烯实际加工过程中产生的缺陷。

在预定的偏置电压下，石墨烯的不完美性可能使化学势不再为0或1 eV。这将导致实际波束方向和预期方向之间的偏差。

当化学势在小范围内变化时，仍然可以形成定向束，但束的方向会发生变化。有效收益将减少;

化学势的变化对辐射方向有显著影响，因为化学势对石墨烯的影响不是线性的。

图5继续展示了所提出的石墨烯偏置太赫兹编码超表面的频率扫描能力，在不改变元天线阵列编码状态的情况下，改变频率可以进一步调制扫描方向。

读者认为大的创新点:

与改变编码状态实现广角扫描相比，固定状态下的频率扫描角度范围较小，但结合两种调制方案可以实现连续波束扫描。(也就是说,作者创造的这种结构在一个维度上可以实现连续的并且大角度的波束扫描!!)

三,总结

总之，我们在本文中展示了一个广角扫描石墨烯偏置太赫兹编码元表面。

特别是石墨烯偏置的太赫兹超表面实现了固定频率下的广角可操纵波束，并且在缝隙阵列的一定编码状态下，改变频率可以进一步调制扫描方向。

我们期望使用石墨烯作为可调开关的设计策略，在太赫兹无线电子设备中建立可编程波束扫描仪，为寻求更自由地控制电磁场的实际应用和更先进的元设备铺平道路

一,介绍:

1,介绍了石墨烯是什么?

2,说明了石墨烯的功能,以及进一步说明了石墨烯可以作为可重构电子器件被大量使用.[1]

举例:例如，李兆毅等人从理论上证明了石墨烯通过调节等离子体元表面的共振来调制相位[2]。

Carrasco等人提出了基于石墨烯的反射射线，其中反射辐射的可调性取决于化学势诱导的相变化[3]。

Zubin Li等人提出了石墨烯带状元表面，实现了非衍射光束的异常反射和动态调谐[4]。

等等......

3,总结:这些工作基本上依赖于通过连续调整石墨烯化学势或形状来实现元表面的梯度相分布，都满足了期望的电磁场规律。

4,开始介绍可编码超表面的内容.

举例1:例如，Cui等人最初提出了数字编码和可编程元表面的概念，由两种类型的单元组成，具有0和p相位响应。通过对这些单元进行编码，可以控制天线的辐射波束，降低目标的散射特征[8]。

举例2:Li等人采用了可重新编程的全息图通过在微波频率下提供可切换的相位调制来生成各种高分辨率和低噪声全息图像[9]。

举例3:Tao等人展示了一种使用pin -二极管控制波的偏振并在透射和反射之间转换波的状态的可重构器件[10]。

举例4:Yurduseven等人提出了一种可重构全息元表面，通过切换pin -二极管来调节菲涅耳区近场光束聚焦[11]，并提出了一种基于可重构动态光束导向全息元表面孔径的k波段单频全电子微波相机[12]。

举例5:Li等人提出了一种新的SIW可编程超表面，可以实时操纵电磁波，产生宽扫描角的窄扫描波束[13]。

5,对第4步中介绍的工作在微波频段的可编码超表面无法应用到太赫兹频段进行了说明.

然而，由于尺寸问题和高耦合损耗，这种电路不能应用于太赫兹区域。石墨烯凭借单原子厚度的优点和电磁场诱导可调性的实质特性，已经准备好填补这一空缺[14,15]。

6,介绍太赫兹频段用石墨烯材料来做可编程超表面的原理:

通过简单地施加足够的直流偏置电压，石墨烯也可以作为太赫兹的可调开关，因此应该开始寻求更自由地控制电磁场的实际应用[16,17]。

基于这些考虑，我们通过在接地石英衬底上的石墨烯偏置缝隙阵列展示了可重构的光束可操纵超表面。

每个辐射缝隙可以被建模为一个极化偶极子，将波导中电磁波的传输模式转换为辐射[18]。

7,介绍本论文的工作内容:

我们证明了这种石墨烯偏置太赫兹超表面将在固定频率下实现广角可操纵光束，并且在石墨烯的某一状态下，当改变频率时，扫描方向可以进一步调制。

####第7步非常关键,用语是说我们证明了什么什么,意思就是理论上可以,但是实际上加工能不能,不太清楚,我也没加工!!我们是通过全波仿真软件实现证明的.

摘要:

我们通过在接地石英衬底上的石墨烯偏置槽阵列展示了可重构的光束可操纵元表面。

石墨烯元件可以通过在不同的门控板上施加足够的直流偏置电压来动态调谐以编程辐射，从而能够作为可调开关打开或关闭引导场的释放缝隙.

这种石墨烯偏置的太赫兹超表面将在固定频率下实现广角可操纵波束，并且在石墨烯的特定状态下，当改变频率时，扫描方向可以进一步调制，因此应该为在太赫兹无线电子设备中建立更先进的可重构收发器和传感器铺平道路。

既可以通过编程调控波束指向,又可以通过改变频率调控波束指向.

关键词:

coding meta-surface; graphene(石墨烯); wide-angle scanning; frequency scanning

问题:整个结构是在微带线上做的吗?

1,工作频率是多少?

图3中说是2.2THz

图3中说端口 1被准TEM波激发,是不是意味着传输线采用了微带线,然后在微带线上开缝隙并覆盖石墨烯.

2,能不能实际加工出来?

这里面的有效次极化是不是对应阵列天线的阵元?具体怎么对应呢?

4,单端口馈电,另一个端口加匹配吸收负载,但是对应不同的波束指向,电磁波传播时有损耗,后边的开缝状态辐射出去的能量应该没有前面相同尺寸的缝隙辐射出去的能量大吧?

5,石墨烯单元的每个“1”状态都会向导波引入3.5度的相移,不同的频率下,每个缝隙"1"状态引入的相移角度都是3.5度吗?