基于负微分电阻碳纳米管的太赫兹波有源超材料特性参数提取

司黎明; 侯吉旋; 刘埇; 吕昕

doi:10.7498/aps.62.037806

摘要

利用碳纳米管在外加静电场下可产生常温太赫兹频段负微分电阻的特性, 提出了太赫兹波频段的有源超材料设计方法以及块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法. 对无源金属线阵进行参数提取, 证明所提出的块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法, 可以有效解决传统参数提取中的符号与多分支选择问题. 通过对嵌入具有负微分电阻特性的碳纳米管的金属线阵进行参数提取, 发现太赫兹波有源超材料不仅具有等效介电常数虚部为负(代表电有源)的特性, 而且还具有磁性色散的特性.

关键词:

Abstract

A strategy is presented to acquire active terahertz (THz) metamaterial by incorporating negative differential resistance carbon nanotubes. Furthermore, we propose a method of extracting active metamaterial effective parameters. This new method can effectively solve the problems of signs and multi-branches, while the traditional parameter extraction method becomes powerless for active case. Our results indicate that the active THz metamaterial with metal wires array not only has negative value of the imaginary part of the permittivity but also presents magnetic-dispersion characteristics.

Keywords:

作者及机构信息

1.
北京理工大学信息与电子学院电子工程系, 毫米波与太赫兹波技术北京市重点实验室, 北京 100081;

2.
东南大学物理系, 南京 211189

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2010CB327506, 61372010302);国家高技术研究发展计划(批准号: 2012AA8123012)和国家自然科学基金(批准号: 61275107)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Department of Electronic Engineering, School of Information and Electronics, Beijing Key Laboratory of Millimeter Wave and Terahertz Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;

2.
Department of Physics, Southeast University, Nanjing 211189, China

Funds: Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant Nos. 2010CB327505, 61372010302), the National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2012AA8123012) and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61275107).

参考文献

[1]	Pendry J B, Holden A J, Stewart, Youngs I 1996 Phys. Rev. Lett. 76 4773
[2]	Zhu W, Huang Y, Rukhlenko I D, Wen G, Premaratne M 2012 Opt. Express 20 6616
[3]	Zhao D M, Shi Y L, Zhou Q L, Li L, Sun H J, Zhang C L 2011 Acta Phys. Sin. 60 093301 (in Chinese) [赵冬梅, 施宇蕾, 周庆莉, 李磊, 孙会娟, 张存林 2011 物理学报 60 093301]
[4]	Liu H Y, Lü Q, Luo H L, Wen S C 2010 Acta Phys. Sin. 59 256 (in Chinese) [刘虹遥, 吕强, 罗海陆, 文双春 2010 物理学报 59 256]
[5]	Su Y Y, Gong B Y, Zhao X P 2012 Acta Phys. Sin. 61 084102 (in Chinese) [苏妍妍, 龚伯仪, 赵晓鹏 2012 物理学报 61 084102]
[6]	Zhao Y, Xiang J K, Li S, Zhao X P 2011 Acta Phys. Sin. 60 054211 (in Chinese) [赵延, 相建凯, 李飒, 赵晓鹏 2011 物理学报 60 054211]
[7]	Chen W Y T, Han P Y, Kuo M L, Lin S Y, Zhang X C 2012 Acta Phys. Sin. 61 088401 (in Chinese) [陈吴玉婷, 韩鹏昱, Kuo Mei-Ling, Lin Shawn-Yu, 张希成 2012 物理学报 61 088401]
[8]	Si L M, Sun H, Lv X 2010 Chin. Phys. Lett. 27 034106
[9]	Wu Q, Zhang K, Meng F Y, Li L W 2010 Acta Phys. Sin. 59 6071 (in Chinese) [吴群, 张狂, 孟繁义, 李乐伟 2010 物理学报 59 6071]
[10]	Zhu W, Rukhlenko I D, Premaratne M 2012 IEEE Photon. J. 4 741
[11]	Si L M, Lü X 2008 Prog. Electromagn. Res. 83 133
[12]	Lin W S, Luo S J, Huang H M, Zhang Q, Fu Y H 2012 Acta Phys. Sin. 61 164102 (in Chinese) [李文胜, 罗时军, 黄海铭, 张琴, 付艳华 2012 物理学报 61 164102]
[13]	Si L M, Jiang T, Chang K, Chen T, Lü X, Ran L, Xin H 2011 Materials 4 73
[14]	Jiang T, Chang K, Si L M, Ran L, Xin H 2011 Phys. Rev. Lett. 107 205503
[15]	Xiao S M, Drachev V P, Kildishev A V, Ni X J, Chettiar U K, Yuan H K, Shalaev V M 2010 Nature 466 735
[16]	Si L M, Sun H, Lü X 2011 Microw. Opt. Tech. Lett. 53 515
[17]	Zhu W, Rukhlenko I D, Premaratne M 2012 Appl. Phys. Lett. 101 031907
[18]	Dragoman D, Dragoman M 2009 Prog. Quant. Electron. 33 165
[19]	Tonouchi M 2007 Nature Photon. 1 97
[20]	Choi H J, Cohen M L, Louie S G 2007 Phys. Rev. B 76 155420
[21]	Dragoman D, Dragoman M 2004 Physica E 24 282
[22]	Dragoman D, Dragoman M 2005 Physica E 25 492
[23]	Kibis O V, da Costa M R, Portnoi M E 2007 Nano Lett. 7 3414
[24]	Smith D R, Schultz S, Markos P, Soukoulis C M 2002 Phys. Rev. B 65 195104
[25]	Smith D R, Vier D C, Koschny T, Soukoulis C M 2005 Phys. Rev. E 71 036617
[26]	Ziolkowski R W 2003 IEEE Trass. Antenn. Propag. 51 1516
[27]	Chen X D, Grzegorczyk T M, Wu B I, Pacheco J, Kong J A 2004 Phys. Rev. E 70 016608
[28]	Nicolson A M, Ross G F 1970 IEEE Trass. Instrum. Meas. 19 377
[29]	Weir W B 1974 Proc. IEEE 62 33
[30]	Erentok A, Ziolkowski R W 2007 Appl. Phys. Lett. 91 184104
[31]	Si L M, Lü X 2008 Mod. Phys. Lett. B 22 2843
[32]	Khoo K H, Neaton J B, Son Y W, Cohen M L, Louie S G 2008 Nano Lett. 8 2900

施引文献

[1]	Pendry J B, Holden A J, Stewart, Youngs I 1996 Phys. Rev. Lett. 76 4773
[2]	Zhu W, Huang Y, Rukhlenko I D, Wen G, Premaratne M 2012 Opt. Express 20 6616
[3]	Zhao D M, Shi Y L, Zhou Q L, Li L, Sun H J, Zhang C L 2011 Acta Phys. Sin. 60 093301 (in Chinese) [赵冬梅, 施宇蕾, 周庆莉, 李磊, 孙会娟, 张存林 2011 物理学报 60 093301]
[4]	Liu H Y, Lü Q, Luo H L, Wen S C 2010 Acta Phys. Sin. 59 256 (in Chinese) [刘虹遥, 吕强, 罗海陆, 文双春 2010 物理学报 59 256]
[5]	Su Y Y, Gong B Y, Zhao X P 2012 Acta Phys. Sin. 61 084102 (in Chinese) [苏妍妍, 龚伯仪, 赵晓鹏 2012 物理学报 61 084102]
[6]	Zhao Y, Xiang J K, Li S, Zhao X P 2011 Acta Phys. Sin. 60 054211 (in Chinese) [赵延, 相建凯, 李飒, 赵晓鹏 2011 物理学报 60 054211]
[7]	Chen W Y T, Han P Y, Kuo M L, Lin S Y, Zhang X C 2012 Acta Phys. Sin. 61 088401 (in Chinese) [陈吴玉婷, 韩鹏昱, Kuo Mei-Ling, Lin Shawn-Yu, 张希成 2012 物理学报 61 088401]
[8]	Si L M, Sun H, Lv X 2010 Chin. Phys. Lett. 27 034106
[9]	Wu Q, Zhang K, Meng F Y, Li L W 2010 Acta Phys. Sin. 59 6071 (in Chinese) [吴群, 张狂, 孟繁义, 李乐伟 2010 物理学报 59 6071]
[10]	Zhu W, Rukhlenko I D, Premaratne M 2012 IEEE Photon. J. 4 741
[11]	Si L M, Lü X 2008 Prog. Electromagn. Res. 83 133
[12]	Lin W S, Luo S J, Huang H M, Zhang Q, Fu Y H 2012 Acta Phys. Sin. 61 164102 (in Chinese) [李文胜, 罗时军, 黄海铭, 张琴, 付艳华 2012 物理学报 61 164102]
[13]	Si L M, Jiang T, Chang K, Chen T, Lü X, Ran L, Xin H 2011 Materials 4 73
[14]	Jiang T, Chang K, Si L M, Ran L, Xin H 2011 Phys. Rev. Lett. 107 205503
[15]	Xiao S M, Drachev V P, Kildishev A V, Ni X J, Chettiar U K, Yuan H K, Shalaev V M 2010 Nature 466 735
[16]	Si L M, Sun H, Lü X 2011 Microw. Opt. Tech. Lett. 53 515
[17]	Zhu W, Rukhlenko I D, Premaratne M 2012 Appl. Phys. Lett. 101 031907
[18]	Dragoman D, Dragoman M 2009 Prog. Quant. Electron. 33 165
[19]	Tonouchi M 2007 Nature Photon. 1 97
[20]	Choi H J, Cohen M L, Louie S G 2007 Phys. Rev. B 76 155420
[21]	Dragoman D, Dragoman M 2004 Physica E 24 282
[22]	Dragoman D, Dragoman M 2005 Physica E 25 492
[23]	Kibis O V, da Costa M R, Portnoi M E 2007 Nano Lett. 7 3414
[24]	Smith D R, Schultz S, Markos P, Soukoulis C M 2002 Phys. Rev. B 65 195104
[25]	Smith D R, Vier D C, Koschny T, Soukoulis C M 2005 Phys. Rev. E 71 036617
[26]	Ziolkowski R W 2003 IEEE Trass. Antenn. Propag. 51 1516
[27]	Chen X D, Grzegorczyk T M, Wu B I, Pacheco J, Kong J A 2004 Phys. Rev. E 70 016608
[28]	Nicolson A M, Ross G F 1970 IEEE Trass. Instrum. Meas. 19 377
[29]	Weir W B 1974 Proc. IEEE 62 33
[30]	Erentok A, Ziolkowski R W 2007 Appl. Phys. Lett. 91 184104
[31]	Si L M, Lü X 2008 Mod. Phys. Lett. B 22 2843
[32]	Khoo K H, Neaton J B, Son Y W, Cohen M L, Louie S G 2008 Nano Lett. 8 2900

[1]	刘雨熙, 周宇龙, 邵烁婷, 尉鹏飞, 梁奇锋, 王小同, 唐桧波, 况龙钰, 胡广月. 红外超连续辐射泵浦电光晶体产生的太赫兹辐射. 物理学报, 2025, 74(14): 140701. doi: 10.7498/aps.74.20250212
[2]	姜在超, 宫正, 钟芸襄, 崔彬, 邹斌, 杨玉平. 基于几何相位的太赫兹编码超表面反射器研制与测试. 物理学报, 2023, 72(24): 248707. doi: 10.7498/aps.72.20230989
[3]	陈乐迪, 范仁浩, 刘雨, 唐贡惠, 马中丽, 彭茹雯, 王牧. 基于柔性超构材料宽带调控太赫兹波的偏振态. 物理学报, 2022, 71(18): 187802. doi: 10.7498/aps.71.20220801
[4]	王磊, 肖芮文, 葛士军, 沈志雄, 吕鹏, 胡伟, 陆延青. 太赫兹液晶材料与器件研究进展. 物理学报, 2019, 68(8): 084205. doi: 10.7498/aps.68.20182275
[5]	张顺浓, 朱伟骅, 李炬赓, 金钻明, 戴晔, 张宗芝, 马国宏, 姚建铨. 铁磁异质结构中的超快自旋流调制实现相干太赫兹辐射. 物理学报, 2018, 67(19): 197202. doi: 10.7498/aps.67.20181178
[6]	肖文波, 刘伟庆, 吴华明, 张华明. 太阳电池单二极管模型中的参数提取方法. 物理学报, 2018, 67(19): 198801. doi: 10.7498/aps.67.20181024
[7]	李书磊, 刘磊, 高太长, 胡帅, 黄威. 基于多重查找表的太赫兹波段卷云微物理参数的反演方法. 物理学报, 2017, 66(5): 054102. doi: 10.7498/aps.66.054102
[8]	武小芳, 谢树果, 何云涛, 李丽, 李小路. 碳纳米管光学天线的有效波长和谐振特性. 物理学报, 2016, 65(9): 097801. doi: 10.7498/aps.65.097801
[9]	司黎明, 侯吉旋, 刘埇, 吕昕. 基于集总元件和负微分元件的有源可调谐超材料传输线. 物理学报, 2014, 63(2): 027802. doi: 10.7498/aps.63.027802
[10]	唐晶晶, 冯妍卉, 李威, 崔柳, 张欣欣. 碳纳米管电缆式复合材料的热导率. 物理学报, 2013, 62(22): 226102. doi: 10.7498/aps.62.226102
[11]	张忠强, 丁建宁, 刘珍, Y. Xue, 程广贵, 凌智勇. 碳纳米管-聚乙烯复合材料界面力学特性分析. 物理学报, 2012, 61(12): 126202. doi: 10.7498/aps.61.126202
[12]	李振武. 纳米CdS/碳纳米管复合材料的光电特性. 物理学报, 2012, 61(1): 016103. doi: 10.7498/aps.61.016103
[13]	陆金星, 黄志明, 黄敬国, 王兵兵, 沈学民. 相位失配与材料吸收对利用GaSe差频产生太赫兹波功率影响的研究. 物理学报, 2011, 60(2): 024209. doi: 10.7498/aps.60.024209
[14]	王玥, 吴群, 吴昱明, 傅佳辉, 王东兴, 王岩, 李乐伟. 碳纳米管辐射太赫兹波的理论分析与数值验证. 物理学报, 2011, 60(5): 057801. doi: 10.7498/aps.60.057801
[15]	张玉萍, 张会云, 耿优福, 谭晓玲, 姚建铨. 太赫兹波在有限电导率金属空芯波导中的传输特性. 物理学报, 2009, 58(10): 7030-7033. doi: 10.7498/aps.58.7030
[16]	葛霁, 金智, 苏永波, 程伟, 刘新宇, 吴德馨. 一种InP双异质结双极晶体管小信号物理模型及其提取方法. 物理学报, 2009, 58(12): 8584-8590. doi: 10.7498/aps.58.8584
[17]	王玥, 吴群, 施卫, 贺训军, 殷景华. 基于纳观域碳纳米管的太赫兹波天线研究. 物理学报, 2009, 58(2): 919-924. doi: 10.7498/aps.58.919
[18]	陈将伟, 杨林峰. 有限长双壁碳纳米管的电子输运性质. 物理学报, 2005, 54(5): 2183-2187. doi: 10.7498/aps.54.2183
[19]	张志勇, 王太宏. 用散粒噪声测量碳纳米管中Luttinger参数. 物理学报, 2004, 53(3): 942-946. doi: 10.7498/aps.53.942
[20]	刘海文, 孙晓玮, 程知群, 车延峰, 李征帆. GaInP/GaAs异质结双极晶体管小信号模型参数提取的新方法. 物理学报, 2003, 52(9): 2298-2303. doi: 10.7498/aps.52.2298

计量

文章访问数: 10511
PDF下载量: 1231
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板