基于FDTD方法石墨烯電磁波傳播特性研究

吳少榮 史鈺泓

摘 要：社會的進一步發展，促使現階段我國科技水平有了顯著提升，此種背景下，各種新型材料被發現和應用，極大程度提升了生產生活質量，石墨烯就是新型材料之一?；诖?，本文立足于石墨烯基本性質角度，分析了石墨烯與電磁波之間的關系，以及電磁波傳播特性，希望以下內容的論述可以推動我國科技穩步發展。

關鍵詞：FDTD；石墨烯；電磁波

引言：石墨烯是一種新型材料，自2004年問世以來，因為其自身所具有的各類特征與優勢，受到了廣泛的關注與應用，尤其是在電導力學當中，應用效果最為明顯，已經成為主要的高科技材料。當下，隨著技術水平的提升，石墨烯制造逐漸趨于完善，這為石墨烯在微波毫米波領域中的應用，提供了借鑒。因此，對基于FDTD方法石墨烯電磁波傳播特性研究十分重要。

1石墨烯的電子結構

立足于石墨烯材料的基本特性以及應用效果而言，不僅具有良好的導電以及導熱性能，而且具有鮮明的機械性能，促使其自身具有以上性能的原因在于材料本身成鍵形式較為特殊。就目前研究情況而言，石墨烯可以說是最薄的一種二維材料，即便如此，該材料的韌性仍然良好，也是最硬的一種材料，經測試，石墨烯材料硬度可以達到130Gpa[1]。常溫過程中，石墨烯內部電子具有較高的遷移效率。同時，經過測試還發現，石墨烯所具備的電阻并不大，也是當下最低電阻的一種材料。

通過研究分析發現，石墨烯本質上是一種二維平面結構，其在形成過程中，主要由二維碳原子排布而成，最終形成六方型并且具有對稱性，基太電子結構可以寫成如下形式：1s22s22p2，從上面電子結構而言，石墨烯內部具有四價電子，因為自身所具有的碳碳鍵是1.42A，所以結構異常穩定，可以被應用在多個領域當中。并且該類材料所具有的熱穩定性，也得益于此種晶格結構。

2基于FDTD方法石墨烯電磁波傳播特性分析

2.1垂直射入情況下的石墨烯電磁特性

2.1.1表面邊界條件的FDTD迭代式

從實際應用角度而言，單層石墨烯材料十分薄，并且此種薄沒有一個準確的界定，一般將其界定為無限薄。為研究該類材料的電磁特性，就需要引入導電率的概念，導電率一般可以通過材料角頻率、化學勢、散射率以及溫度等計算得出。計算過程中，主要應用Kubo公式進行導電率公式的推導，最終得出“σg=σinter+σintra”，其中σinter數值結果將會由能帶間所具有的能量所決定，而σintra數值結果將會由能帶內能量所決定，因為在現實中，能帶內能量占據很大一部分，所以會對σintra進行合理分析。

2.1.2驗證與結果

通過各類計算形式，最終計算得出電磁波垂直射入石墨烯時所形成的有效頻率、透射數據以及反射系數等內容。比較結果證明，FDTD所存在的數值與計算得出的透射系數以及反射系數基本吻合，證明計算方法正確[2]。并且在結果分析中還發現，太赫茲高頻段條件下，石墨烯材料所具有的透射率基本保持在1.0左右，測試反射率數值也在0.1左右，此結果表明，石墨烯材料對于電磁波具有明顯的吸收效果，電磁波在石墨烯中的傳播較為輕松，這也是材料可以被應用到微波毫米波中的基本原因。

2.2斜射入情況下的石墨烯電磁特性

2.2.1FDTD迭代式的推導

TEz波：計算過程中，應用TE2波進行試驗分析，將其斜射入石墨烯材料當中，可以將材料進行磁場分量的劃分，之后可以得出一個標準的麥克斯韋旋度方程，此時該方程所代表的介質為真空，因此需要應用FDTD進行迭代式推到，最終得出介質為石墨烯材料下的麥克斯韋旋度方程。

TMz波：與TEz波同樣，在計算過程中都會將計算過程中，并且對磁場分量進行劃分，最終得出麥克斯韋旋度方程，并且應用FDTD進行石墨烯介質下的迭代式推導，得出最終計算方程。

需要注意，因為此次分析社將射入條件進行了修改，因此需要對吸收邊界以及連接邊界進行修正，這樣才能得出最為準確的計算結果。

2.2.2驗證與結果

在TEz波條件下的分析，為了證明分析結果準確可靠，還會計算出電磁反射以及電磁波的透射系數，并且以有效頻率作為基礎進行綜合對比分析，得出FDTD算法下的解析結果。

從實際分析過程中可以發現，石墨烯透射率保持在1.0左右，反射率保持在0.2左右，證明電磁波在石墨烯中的傳播正常，并且傳播效果良好。

在TMz波條件下的分析，為了證明分析結果準確可靠同樣會計算出電磁反射以及電磁波的透射系數，最終在FDTD算法下進行比較，石墨烯透射率保持在1.0左右，反射率保持在0.15左右，證明在此種類型的電磁波當中，石墨烯仍然具良好的電磁吸收性能，電磁波在石墨烯中可以正常傳播，并且效果良好。

結論：綜上所述，隨著科技水平的不斷提升，石墨烯材料與電磁波之間的相互作用研究已經成為石墨烯特性研究的一個重要內容，從目前研究情況而言，石墨烯材料本身所具有的電磁性能較為良好，無論是透射還是反射效果明顯，使用過程中，通?？梢云渌牧瞎餐Y合使用，從而提升性能，鑒于此，本文認為石墨烯具有極大的應用潛力，可以在今后廣泛應用。

參考文獻：

[1]梁彩云，劉鳳平，張翠忠，張貞發，韋遠玲，彭金云.基于銅納米粒子/氧化鋅/石墨烯修飾電極的電化學方法測定硫酸卡那霉素[J].分析化學，2019，47（05）：739-747.

[2]張志華，宋向紅，吳福鴻.氧化苦參堿在納米金與硫化銅石墨烯復合修飾碳糊電極上的電化學行為及電分析方法研究[J].廣東化工，2017，44（24）：43-45.

作者簡介：

第一作者：吳少榮（1998-）男，漢族，廣東省珠海市人，大學本科， 研究方向：通信工程

第二作者：史鈺泓（1998-）男，漢族， 山西省陽泉市人 ，學本科，研究方向：通信工程