太赫兹-纳米管天线

1、.碳纳米管天线背景知识纳米材料纳米材料是指由尺寸小于1100nm的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维材料的总称。目前实现工业化生产的纳米材料主要是碳酸钙、白炭黑、氧化锌等纳米粉体材料，其他基本上还处于实验室的初级研究阶段，但是毫无疑问的是以纳米材料为代表的纳米科技将成为二十一世纪的经济和社会发展产生深刻的影响。目前纳米材料的研究热点和技术前沿包括：以碳纳米管为代表的纳米组装材料；纳米陶瓷和纳米复合材料等高新能纳米结构材料；纳米涂层材料的设计与合成；单电子晶体管、纳米激光器和纳米开关等纳米电子器件的研制等。碳纳米管1985年，英国科学家Kroto和美国科学家Smally等人发现

2、了足球状的C60，其后相继发现了C70、C80的，这就为纳米尺度的碳族材料的研究开辟了道路。1991年日本驻波NEC实验室的电子显微镜专家S.lijima在用石墨电弧法制备C60的过程意外发现了纳米尺度的、由240层的石墨层片卷曲而成的、具有中空结构管状物，该材料各层之间的距离为0.343nm，这个物体后被称为多壁碳纳米管。它具有独特的准一维管状分子结构、有益的力学、电学和化学性质及其在高科技领域中潜在应用价值，引起了世界各国科学家们的广泛关注，由此也引发了碳纳米管的研究热潮和十多年来纳米科学和技术的飞速发展。此后碳纳米管技术有了飞速的发展。如今，碳纳米管在天线方向的应用也越来越广泛。在200

3、5年，加州大学尔湾分校的Burke P J 就进行了单个碳纳米管的射频等效电路的研究，其后，美国威斯康辛州密尔沃基大学电子工程系的Hanson G W 从理论上研究了碳纳米管天线的基本发射特性。作为天线，最重要的特性是天线的电流分布，2006年，Hanson G W通过对比碳纳米管天线与同样尺寸的铜天线的电流分布，得出了碳纳米管天线的损耗比铜天线的小得多的结论;而且，在纳米尺度领域内，碳纳米管比其它金属良导体更适合用作天线和互连线。同年，美国威斯康星州密尔沃基大学电子工程系 Jin Hao等人研究了碳纳米管偶极天线在红外和可见光频段的特性。这为我们开展碳纳米管在太赫兹波段的研究提供了依据。20

4、07年10月17日来自加州大学尔湾分校的BUrkePJ和Rutherglen C发明了世界上第一个利用碳纳米管制成的纳米级别探测器接收无线电，并将其转化为声音信号的无线电系统。THz波THz波的特点：1、THz波的波长处于微波及红外光之间，因此在应用方面相对于其它波段的电磁波，如微波和X射线等，具有非常强的互补特征。2、THz波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，能够有效地防止背景辐射噪音的干扰。目前，对THz辐射强度测量的信噪比可大于1010。3、THz波具有很高的时间和空间相干性。THz辐射是由相干电流驱动的偶极子振荡产生、或是由相

5、干的激光脉冲通过非线性光学差频产生的，具有很高的时间和空间相干性。现有的THz检测技术可以直接测量振荡电磁场的振幅和位相。这一特点在研究材料的瞬态相干动力学问题时具有极大的优势。4、THz波的光子能量低。频率为ITHz的电磁波的光子能量只有大约4meV，约为X射线光子能量的百万分之一，因此不会对生物组织产生有害的电离，适合于对生物组织进行活体检查。如利用THz时域谱技术研究酶的特性，进行DNA鉴别等。THz波的应用：1、 电磁成像2、 医疗诊断3、 低微半导体直接耦合4、 通信与雷达外文文献笔记第一篇介绍了碳纳米管天线的特性，首先碳纳米管天线具有很好的应用到纳米互联技术、光纤通信、航空航天通信

6、的潜质。因为它具有尺寸小、重量轻、电特性良好的特点。文中利用传统传输线理论推导出不同角度下的碳纳米管天线的电流分布函数以及再辐射模型。当碳纳米管天线的长度是入射波的波长的数倍的时候，再辐射模型的主瓣方向随入射角度改变而改变，并且最强的辐射方向应该是反射所对应的角度。当碳纳米管的长度增加的时候波瓣会变得更密集。在本文中还介绍了碳纳米管的等效电路法。第二篇主要介绍的是工作于太赫兹波段的碳纳米管天线的辐射效率。本文中主要说明了太赫兹波段的天线的制作以及其辐射效率，并对这种天线与传统工艺制作的天线的性能进行了比较。由各向异性的薄膜电阻制作的具有宏观行为的碳纳米管天线的表面电阻可以从单壁碳纳米管的分布电

7、路模型中提取而得。此外，在太赫兹波段的薄金层具有德鲁德史密斯模型的特征，即在光学频率可计算金层的理论电导率。传统工艺设计的半波带状天线能谐振于1THz到50THz。矩量法与混合积分方程法经常用于计算由碳纳米管构成的谐振带状天线的辐射效率。在文中进行了电磁仿真，结果显示当碳纳米管的等效密度值低于104时，碳纳米管天线的辐射效率一直低于金膜天线的辐射效率。然而，当等效密度值高于此值且工作频率高于1THz的时候，基于碳纳米管的天线的性能将优于薄金层的性能。因此在设计此类天线的时候一定要注意碳纳米管的等效密度值，然后判断是否采用基于碳纳米管的天线。第三篇文章主要讨论了，一种新型的应用到太赫兹波段的碳纳

8、米管天线，文中主要讨论了该天线的电场分布、S参数、行波比率以及二维模型。此天线阵列工作于9.3THz到10.2THz的范围，其主要谐振频率为9.7THz。并通过仿真研究了太赫兹波得产生机理。文中采用了CST进行仿真，通过仿真结果来看，基于碳纳米管的单极子天线的增益很低，但是通过控制纳米管元件的空间距离、长度以及数量可以很好的改善其增益。第四篇文章中主要介绍的是太赫兹单壁碳纳米管天线的波数域理论，通过这种理论来了解单壁碳纳米管天线在太赫兹波段所表现的特性。从文中我们可以看出为了形成电流的波数域的积分方程，不能把这种天线当成一种传统的天线来考虑，我们需要采用波尔兹曼传输方程以及含有边界条件的麦克斯

9、韦方程。该公式涉及到依赖于波数的导纳。文中的公式被认为比以往研究中提出的公式的准确性和一般性有所提高。从文中的数值结果我们可以看出工作于低THz波段的短振子天线具有更高的效率，更宽的带宽，稳定的频率特性，并且可以改变其长度与手性指标来进行调谐。第五篇文章中描述的是一个工作于稍低于THz的波段的碳纳米管天线的结构特征。该天线由碳纳米管构成并被一层绝缘的泡沫包裹，同时外面包裹一层介电常数为正但是并不均匀的超常媒质材料。超常媒质层可以看成一个加载了薄金属线晶格的泡沫层。从文中我们可以看出我们可以通过选择合适的晶格的周期与线的厚度以使我们能在工作频率处获得低的介电常数。对天线进行严格的分析之后，可以看到超常媒质套能够改善相位的衰减。这也是这篇文章中的新意所在。另外我们还研读了一些中文文献，我们发现碳纳米管天线具有广阔的应用前景，从现阶段的研究情况来看，碳纳米管天线可用于光纤通信、纳米互联、太阳能转换等领域。例如，该天线可以用于光电子器件中，用作THz和红外线检波器;该天线也可制成光电视，即将电视信号加到在光纤上传送的激光束，在终端由一系列碳纳米管(每个功能类似于高速二极管)将信号解调，而大大提高电视信号的效率和图象的品质;该天线还可制成高效的太阳能转化器，即入射光被转化成电荷储存在电容器中，使太阳能转化成电能的效率大大提高。而且由于碳