[發明專利]石墨烯表面等離激元的粒子模擬仿真方法

有效

• 申請號: 201811453832.3
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN109446727B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 劉大剛;劉臘群;高杉;王輝輝
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F30/23;G06F111/10
• 代理公司: 成都惠迪專利事務所(普通合伙) 51215
• 代理人: 劉勛

石墨烯表面等離激元的粒子模擬仿真方法,涉及計算機模擬仿真技術領域。本發明包括下述步驟:步驟一、將二維石墨烯模型提出的電導率公式與石墨烯所在網格的電場相乘，獲得該網格上面電流密度的求解公式；步驟二、采用時域有限差分方法，對面電流密度的求解公式進行差分；步驟三、設置模擬初始條件，采用時域有限差分法進行計算；步驟四、將石墨烯所在網格面上的第n+1/2步的面電流密度及步驟三求得的第n+1步的電場，代入步驟二所得的差分公式，求得石墨烯所在網格面上第n+3/2步的面電流密度。步驟五、按順序循環執行步驟三和步驟四，最終實現對石墨烯表面等離激元的粒子模擬仿真。本發明對采用石墨烯制備新型太赫茲輻射源及紅外線輻射源的研究具有指導性作用。

技術領域

本發明涉及計算機模擬仿真技術領域。

背景技術

石墨烯(Graphene)由于具有特殊的屬性和巨大的潛在應用，已經成為現代科學技術中最具吸引力的研究領域。由于石墨烯中的等離子振蕩頻率介于1-50THz之間，屬于太赫茲頻段和紅外線頻段范圍。因此，在光子與光電子應用研發領域，如超快激光、太陽能電磁、光學調節器、光電探測器、光發射裝置，基于石墨烯的等離子的諸多功能扮演著重要的角色。理論和實驗都以證明，當介電常數的實部為負時，石墨烯能夠激勵起表面等離激元。

石墨烯的表面等離激元的基本特性和激勵方法類似于貴金屬薄膜。例如，石墨烯表面等離子體也能夠被入射的平面波、強非線性場和電子束激勵。此外，由于石墨烯的電導率和介電常數能夠通過調節加載電壓和化學摻雜等方式而改變，因而石墨烯表面等離激元具有許多優于金屬薄膜表面等離激元的特性。

基于對石墨烯表面等離激元研究的需求，開展石墨烯表面等離激元的粒子模擬仿真，尤其是通過仿真得到外部激勵因素以及石墨烯本身的等離子體參數與激勵起的表面等離激元的頻率、場強及衰減速度之間的關系，將為采用石墨烯表面等離激元輻射機制，制備太赫茲源或紅外光源的研究提供參考依據。

對金屬薄膜中的表面等離激元進行粒子模擬時，通常采用Drude模型對其電導率進行等效，這需考慮金屬薄膜的厚度(通常為幾十納米)，并在厚度方向劃分不小于10個網格，才能保證模擬的精度。

因石墨烯的厚度遠小于金屬薄膜，僅為零點幾納米。若在粒子模擬時采用Drude模型對其中的等離子體振蕩行為進行等效，在厚度方向劃分10個或10個以上網格，其網格數將是金屬薄膜模擬的數百倍。計算機將無法提供足夠的內存對PIC計算中網格上的電磁場等參數進行存儲。

另外，由于粒子模擬中網格大小與時間步長呈正相關，且石墨烯中表面等離激元的周期(約為飛秒量級)遠大于金屬薄膜中表面等離激元的周期(約為皮秒量級)，所以其總時間步數將比金屬薄膜大3-4個數量級。

粒子模擬的計算量＝(網格數+宏粒子數)Х時間步數。因此，若采用對Drude模型對石墨烯中的電導率進行等效，以此來實現表面等離激元的粒子模擬。在宏粒子數相同的情況下，其計算量比金屬薄膜表面等離激元的粒子模擬大5-6個數量級。

總而言之，采用Drude模型實現石墨烯表面等離激元的粒子模擬存在以下幾個方面的不足：

(1)劃分的網格數量巨大，計算機內存無法承受。

(2)模擬所需總時間步數極多，計算量極大，模擬耗時極長。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術中因石墨烯的厚度過小，表面等離體激元周期相較時間步長過大等特性而造成的石墨烯表面等離激元粒子模擬仿真困難的問題，提供一種石墨烯表面等離激元的粒子模擬仿真方法，可以采用更大的網格和更大的時間步長，在減小內存消耗和計算量的同時，保證模擬的準確性。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是，石墨烯表面等離激元的粒子模擬仿真方法，包括下述步驟：

1)首先對不同石墨烯的電導率模型進行分析，將石墨烯等效成一個二維的平面后，其電導率公式為：