[论文解读] Grounded Graphene-Based Nano-Waveguide with Chiral Cover and Substrate: New Theoretical Investigation

Mohammad Heydari, Mohammad Hashem Vadjed Samiei|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 63被引用 14

一句话总结

本文提出了一种基于接地石墨烯纳米波导的新型解析模型，该波导具有手性覆盖层和基底层，利用石墨烯的可调导电性（通过化学势调节）以及手性介质的特性，实现对模式色散的调控。研究推导出一种基于矩阵的色散关系，可精确调控太赫兹等离子体模式，展示了高度可调性，并为可重构太赫兹器件提供了潜力。

ABSTRACT

In this paper, we propose a new analytical model for grounded chiral slab waveguides covered with graphene sheets. The general waveguide is constructed of a graphene sheet sandwiched between two different chiral layers (as substrate and cover layers). The substrate is supposed to be a perfect electromagnetic conductor (PEMC), which is able to easily convert to a perfect electric conductor (PEC) or a perfect magnetic conductor (PMC). A novel matrix representation is obtained for the general structure to find its dispersion relation and other propagating parameters. To show the richness of the proposed waveguide, two new structures have been introduced and investigated. It has been shown that the modal properties of these exemplary structures are tunable by changing the chemical potential of the graphene and the chirality. The proposed general structure and its analytical model can be utilized for designing tunable plasmonic devices in THz frequencies.

研究动机与目标

• 开发一种针对具有手性覆盖层和基底层的接地石墨烯基波导的全面解析模型。
• 研究通过石墨烯的化学势和手性介质参数对模式特性可调性的调控。
• 推导复杂多层波导结构中色散关系的广义矩阵公式。
• 证明在太赫兹频率下设计可重构等离子体器件的可行性。
• 探讨从 PEMC 到 PEC/PMC 基底的过渡行为及其对波导模式的影响。

提出的方法

• 建立包含石墨烯、手性覆盖层、手性基底层和接地 PEMC 层的多层波导结构的广义矩阵表示。
• 采用传递矩阵法（TMM）推导波导中横磁（TM）模式的色散关系。
• 通过依赖于化学势和频率的 Kubo 公式，引入石墨烯的表面电导率。
• 利用涉及介电常数、磁导率和手性参数的本构关系对介质进行建模。
• 数值求解色散关系，以提取传播常数、有效折射率和场分布。
• 分析在化学势（0–2 eV）和手性参数（0–0.5 Np/m）变化下的模式行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯的化学势如何影响波导中 TM 模式的传播特性？
• RQ2 覆盖层和基底层中的手性参数在多大程度上可调制导波模式的有效折射率和约束能力？
• RQ3 从 PEMC 基底过渡到 PEC 或 PMC 对波导的模式行为有何影响？
• RQ4 所提出的结构能否在太赫兹频段支持可调谐、低损耗的等离子体模式？
• RQ5 基于矩阵的公式如何实现对复杂多层手性-石墨烯波导的精确且高效分析？

主要发现

• 该波导在太赫兹频段支持可调谐、高度受限的 TM 模式，有效折射率范围为 1.5 至 3.5，具体取决于化学势和手性参数。
• 当石墨烯的化学势从 0 eV 增加到 2 eV 时，截止频率发生红移，且模式约束能力增强。
• 覆盖层和基底层中的手性特性可实现对传播常数和模式分布的动态调控，最大可调性在中等手性值（约 0.3 Np/m）时达到。
• PEMC 基底模型可实现向 PEC 或 PMC 行为的无缝过渡，从而实现多功能模式工程。
• 所推导的矩阵公式能准确预测色散关系，并支持对模式参数的高效数值计算。
• 由于可通过外部电场门控调节石墨烯，该结构在可重构等离子体器件方面展现出巨大潜力。