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基于拓扑绝缘体在可调谐负折射率超材料

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摘要

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 拓扑绝缘体概述

1.3 拓扑绝缘体的发展及现状

1.4 研究内容

2 椭圆纳米孔阵列超材料的调谐原理

2.1 超材料的概述

2.2 可调谐超材料的工作原理

2.2.1 可调谐超材料的研究进展

2.2.2 拓扑绝缘体渔网超材料调谐原理

2.3 电磁场数值计算

2.3.1 矩量法

2.3.2 有限元法

2.3.3 时域有限差分法

2.4 FDTD方法基本原理

2.4.1 Yee氏有限差分算法

2.4.2 边界条件

2.4.3 FDTD方法的优缺点

3 椭圆纳米孔阵列超材料的结构设计与优化

3.1 可调谐纳米孔阵列超材料结构设计

3.2 可调谐纳米孔阵列超材料的结构优化

3.3 本章小结

4 椭圆纳米孔阵列超材料光学特性仿真

4.1 椭圆纳米孔阵列超材料结构设计

4.2 椭圆纳米孔阵列超材料的仿真计算

4.3 椭圆纳米孔阵列超材料的光学特性

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

拓扑绝缘体(Topological Insulator)作为一种新兴的量子物理材料,受到人们越来越多的关注,Bi2Se3是一种非常有潜力的拓扑绝缘体材料,我们通过改变Bi2Se3介质层内在属性,首次在近红外范围内有效地控制超材料的本征谐振,实现宽谱双负折射率可调谐。传统的可调谐超材料需要利用结构和电极集成,来实现可调谐。与传统的可调谐超材料相比,本文设计的可调谐超材料具有纳米级小尺寸、容易制备和集成、应用范围广等优点。本文对近红外波段可调谐超材料的实现进行了深入分析和模型构建,并对该模型进行了理论仿真和数值计算。采用三明治结构(金属/介质层/金属),可以同时获得很强的磁谐振和电谐振,降低能量损耗。
  以往的超材料模型需要光以特定角度入射来激发其表面等离子体共振,并且不能工作在近红外波段,而近红外光在生物医学检测中应用前景十分明朗。椭圆纳米孔阵列超材料是以其优异的结构特性和简单的制作工艺,被越来越多的应用,只需要光垂直入射就可以激发其局部表面等离子体共振,通过调整几何结构和尺寸,可以使其工作在近红外波段,因此我们将这种渔网超材料引入,并优化设计结构参数使其在近红外范围内有较好的光学响应特性。
  本文引入拓扑绝缘体Bi2Se3作为介质层,由于其介电常数在近红外范围内不同晶相差别很大,通过物理方法对其调谐,从而使结构有效光学参数发生宽频谱偏移,实现了近红外范围的可调谐双负折射率超材料。负折射率超材料可以广泛的用于生物传感器、超透镜、隐形衣、太阳能电池等新型能源器件方面。此外,本文我们还详细介绍了电磁场数值仿真时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD),并用FDTD方法仿真超材料的电磁场强度分布,获得超材料的电磁学性质,数值计算了金属/介质层/金属渔网超材料的光学特性,理论验证了基于拓扑绝缘体的椭圆纳米孔阵列超材料的宽谱可调谐性,并实现了双负折射率这一超常物理特性。

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