项目名称: 石墨烯等离子体激元纳米器件的宏观电磁模型及其高效计算方法研究

项目编号: No.51507123

项目类型: 青年科学基金项目

立项/批准年度: 2016

项目学科: 电工技术

项目作者: 董天宇

作者单位: 西安交通大学

项目金额: 20万元

中文摘要: 石墨烯凭借其丰富的电子与光学性质,被期望用于设计与制造具有低功耗且结构紧凑的超高速等离子体激元纳米器件。本项目研究电磁波与等离子体激元间的相互作用规律,旨在建立经典电动力学框架下石墨烯的宏观电磁模型,以及针对石墨烯等离子体激元纳米器件电磁特性的高效计算方法。主要内容包括:1)研究石墨烯等离子体激元在电磁场中的流体动力学特性,借助量子流体力学工具,建立基于宏观电磁量耦合方程的石墨烯本构关系。2)研究基于非局部矩量法的多尺度特征基函数法在石墨烯等离子体激元纳米器件计算应用中的一些基础性理论问题,着重揭示影响算法收敛性和精度的各种因素,涉及到特征基函数生成方法、阻抗矩阵生成方法和加速算法等。3)借助数值试验方法,解决算法实现中的关键技术,开发适用于科学研究和工程应用的计算代码。总之,本项目将为石墨烯等离子体激元纳米器件的有效设计、分析与模拟提供理论基础和计算手段,有着重要的学术意义和应用前景。

中文关键词: 石墨烯;材料特性模拟;数值方法;表面等离子体激元

英文摘要: The richness and vibrant versatility of electronic and optical properties of graphene may enable the design and manufacture of novel plasmonic nano-devices with extremely high speed, low power consumption and compact sizes. This project studies the interaction behaviors between electromagnetic waves and graphene plasmonics. It aims to establish a macroscopic electromagnetic model for graphene within the framework of classical electrodynamics, and to propose highly efficient computational methods for simulating electromagnetic properties of graphene-based plasmonic nano-devices. The project starts from discussing the hydrodynamics of graphene plasmons in the presence of applied electromagnetic fields. The constitution relation of graphene, which is governed by coupled equations with respect to macroscopic electromagnetic quantities, can be derived by virtue of quantum hydrodynamics. The project also proposes a nonlocal method of moments, in combination with multi-scale characteristic basis function method. Several fundamental theoretical issues are considered when the proposed algorithm is applied to handle graphene-based nano-devices. It focuses on characterizing the key factors to the convergence and accuracy of the algorithm, which involves the generation of characteristics basis functions, elements-filling of impedance matrix, accelerating algorithms, etc. Numerical experiments are deployed with solving several key techniques in algorithm realization. In addition, computer code is developed for further scientific research as well as engineering application. In short, this project would provide comprehensive fundamental theories and computational methods for efficient designing, analyzing and modeling graphene-based plasmonic nano-devices, which expresses significant academic values as well as extensive application perspectives.

英文关键词: graphene;material characteristics modeling;numerical methods;surface plasmonic polaritons

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