劉偉偉的開題報告

1、同濟大學碩士研究生學位論文選題報告及論文工作計劃 課 題名 稱 類特異材料的電子復合結(jié)構(gòu)的研究 學 號 1132132 研 究 生 劉偉偉 專業(yè)、年級 凝聚態(tài)物理 2011級 所在院、系 物理科學與工程學院 物理系 導 師 江海濤 副教授 選 題 時間 2012 年 10 月 15 日 同濟大學研究生院年 月 日一、立論依據(jù)課題來源、選題依據(jù)和背景情況、課題研究目的、理論意義和實際應(yīng)用價值本課題來源 973項目，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃“光子晶體的帶隙調(diào)控機理與新現(xiàn)象研究”；國家自然科學基金項目；上海市科委重點開放項目課題：類特異材料的電子復合結(jié)構(gòu)的研究。 人們在很久以前就知道，在受限電子體系

2、中，當入射電子的能量和量子阱結(jié)構(gòu)允許帶中離散化的能級相等時，便可發(fā)生共振隧穿現(xiàn)象33。但是，如果入射電子的能量落在結(jié)構(gòu)中所有材料的禁止帶中，那么電子波便無法在該結(jié)構(gòu)中輸運，不能發(fā)生隧穿現(xiàn)象。然而在電磁領(lǐng)域，人們發(fā)現(xiàn)將兩塊本身不透明的電單負材料和磁單負材料組合在一起，在滿足阻抗匹配和相位匹配條件的頻率點處，結(jié)構(gòu)的等效折射率為零（稱為等效零折射率特異材料），可以實現(xiàn)對電磁波的完全隧穿現(xiàn)象，即由不透明材料組成了一個透明的結(jié)構(gòu)。因此，我們可以考慮在半導體材料中尋找到電磁單負材料的電子對應(yīng)，并實現(xiàn)電子在全是禁帶的結(jié)構(gòu)中的完全隧穿現(xiàn)象，即將單負特異材料中的電磁波完全隧穿現(xiàn)象推廣到半導體結(jié)構(gòu)中。本課題，我們

3、對麥克斯韋方程和薛定諤方程及兩種體系的邊界條件進行分析，發(fā)現(xiàn)對于一維體系，電磁材料參數(shù)中的介電常數(shù)和磁導率都可用電子的能量、有效質(zhì)量和所處的勢場所滿足的一定關(guān)系來類比。通過選取具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的半導體材料，分別類比為電磁體系中的電單負材料、磁單負材料、左手材料以及零折射率材料，進行合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，研究這種電子復合結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及其應(yīng)用。 本課題的理論意義在于研究類特異材料中類比再現(xiàn)特異材料中出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象，即電子波與電磁波的傳輸性質(zhì)的類比。實際應(yīng)用價值在于對調(diào)控電子波的相關(guān)器件的研制具有指導意義。二、文獻綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)；所閱文獻的查閱范圍及手段在經(jīng)典電磁波領(lǐng)域，特異材料對電磁波有

4、著許多奇異的調(diào)控作用，如負折射現(xiàn)象、平面亞波長成像、“隱身”現(xiàn)象，負的古斯-汗欣位移現(xiàn)象，反PT對稱等。由于波的相通性，人們發(fā)現(xiàn)很多在經(jīng)典波中出現(xiàn)的奇特現(xiàn)象可以移植到電子體系中來，可以將特異材料的奇異電磁波傳播現(xiàn)象與特殊電子能帶所導致的新奇電子傳輸現(xiàn)象聯(lián)系起來，如2007 年V.Cheianov 等人將雙負特異材料中的平面成像推廣到石墨烯p-n 結(jié)中的電子傳輸調(diào)控22。因此我們考慮采用類比的方法，希望能將特異材料中的一些其他的特性也在電子體系中實現(xiàn)。文獻查閱范圍：IEEE journals, AIP journals, APS journals, Science, Nautre, APL，PR

5、L,PRB，PRE查閱手段：聯(lián)機檢索與手工查閱相結(jié)合所查閱的文獻：1 O. A. Kocharovskaya and Y. I. Khanin, Jetp. Lett. 48,630(1988).2 S. E. Harris, Phys. Rev. lett. 62,1003(1989).3 R. A. Shelby, D. R. Smith, and S. Schultz, Science 292, 77(2001). 4 J. B. Pendry, Phys. Rev. lett. 85,3966(2000). 5 D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice

6、, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr, and D. R. Smith, Science 314, 977(2007).6 Dentcho, A. Genov, S. Zhang, and X. Zhang, Nature Physics 5, 687(2009). 7 C. L. G. Alzar, M. A. G. Martinez, and P. Nussenzveig, Am. J. Phys. 70, 3741 (2002).8 M. F.Yanik, W. Suh, Z. Wang, and S. Fan, Phys. Rev. Let

7、t. 93, 233903 (2004).9 E. Waks and J. Vuckovic, Phys. Rev. Lett. 96, 153601 (2006).10 Andrea Al, Mrio G. Silveirinha,Alessandro Salandrino, and Nader Engheta, Phys. Rev. B 75, 155410 (2007).11 Viet Cuong Nguyen, Lang Chen,and Klaus Halterman.105, 233908 (2010).12 Jiaming Hao, Wei Yan, and Min Qiu, A

8、pp.Phys.Lett. 96, 101109(2010).13Bolin Liao, Mona Zebarjadi, Keivan Esfarjani, and Gang Chen，Phys. Rev. Lett. 109, 126806(2012).三、研究內(nèi)容1學術(shù)構(gòu)想與思路、主要研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)本課題主要是通過設(shè)計各種類特異材料構(gòu)成的電子復合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)電子波與電磁波性質(zhì)的類比，實現(xiàn)石墨烯以及拓撲絕緣體中的零折射率材料，雙負以及單負材料，調(diào)節(jié)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用傳輸矩陣法研究其各種特性，總結(jié)電子波在其中傳播的規(guī)律，分析產(chǎn)生的原因以及影響波的輸運性質(zhì)的因素，深入了解局域共振機制

9、；應(yīng)用電磁場理論、能帶理論、量子光學和一些相應(yīng)的理論知識對共電子波通過類特異材料所表現(xiàn)性質(zhì)的進行理論分析。主要研究內(nèi)容：(1) 研究特異材料中奇異電磁波傳播現(xiàn)象的物理機制，并找到可以優(yōu)化突破的地方，為后面電磁波與電子波的類比探究做準備。(2) 設(shè)計類特異材料的電子復合結(jié)構(gòu)，使之能夠類比于電磁體系中的電單負、磁單負以及零折射率材料，將電磁波中出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象移植到電子體系中，在這個基礎(chǔ)上，尋找電子體系中所特有的性質(zhì)，找出其物理機制。(3) 利用線性和非線性元件對電子波在結(jié)構(gòu)中的傳播性質(zhì)進行調(diào)控，設(shè)計有潛在應(yīng)用價值的結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵技術(shù):(1) Matlab，C+傳輸矩陣法和FDTD結(jié)合，研究各種復合結(jié)構(gòu)

10、的有效參數(shù)(2) CST Microwave Studio 電磁場仿真模擬(3) 微波實驗驗證（4）電磁場理論、量子光學、能帶理論、緊束縛模型等方面相應(yīng)的理論知識2擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實施方案及可行性分析本課題采取理論與實驗相結(jié)合的方法。先查閱文獻，從理論上進行預(yù)測，并設(shè)計出具體的結(jié)構(gòu)，利用傳輸矩陣方法及Matlab編程對其場分布及透射特性進行計算。然后利用CST Microwave Studio進行全場仿真，對理論計算得到的結(jié)果進行驗證。最后再進行實驗，在實際器件上驗證仿真得到的結(jié)果，做到理論與實驗相結(jié)合。我們課題組長期從事光子帶隙材料及相關(guān)問題的研究，多年來在光子晶體，特異材料等方

11、面取得了一系列的研究成果。我們已經(jīng)具備了相當豐富的理論知識，并擁有完善的實驗材料加工設(shè)備和微波測試設(shè)備，為課題的實施提供了條件。此課題得到了國家基礎(chǔ)研究937項目、國家自然科學基金項目、上海市科委重點開放項目資助。這保證了本課題的順利實行。此外也對本課題進行了前期的調(diào)研。基于課題組已取得的成果和調(diào)研結(jié)果，本項目是切實可行的。四、研究基礎(chǔ)1所需實驗手段、研究條件和實驗條件1利用高校和上海市圖書館豐富的館藏資源以及便捷的互聯(lián)網(wǎng)了解最新的發(fā)展狀并進行理論分析和推導2用ADS，CST等數(shù)值模擬軟件進行仿真計算3進行實際器件的制作4用網(wǎng)絡(luò)分析儀對制作的器件進行測量2所需經(jīng)費，包含經(jīng)費來源、開支預(yù)算（工程

12、設(shè)備、材料須填寫名稱、規(guī)格、數(shù)量）所需經(jīng)費由國家937項目，上海市科委重點開放項目資助1計算機模擬軟件，計算機硬件2微帶線基板材料3微波加工設(shè)備4微波測試儀器五、工作計劃/-序號階段及內(nèi)容工作量估計（時數(shù)）起訖日期階段成果形式查閱文獻，學習使用相關(guān)計算軟件，設(shè)計研究方案，進行前期準備工作。（1） 根據(jù)對電磁波中反PT對稱，古斯-漢欣位移，“彩虹”效應(yīng)等現(xiàn)象的理論分析，進行材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并進行編程計算。（2） 根據(jù)對計算數(shù)據(jù)的分析，類比到電子波體系，進行材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以達到理想現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)探究電子波所具有的獨特的性質(zhì)，比如電子波cloaking等。（3） 對結(jié)果作進一步理論分析，確定其真?zhèn)巍?/p>

13、（1） 總結(jié)理論的研究結(jié)果。（2） 完成畢業(yè)論文。80010008002011.92011.122011.122012.82012.82012.12初步了解特異材料和電磁波、電子波的性質(zhì)及相關(guān)的研究方法。掌握電磁波、電子波在分別在特異材料和類特異材料的復合結(jié)構(gòu)中的傳播特點，理解相關(guān)現(xiàn)象的產(chǎn)生機制。發(fā)表論文12篇發(fā)表論文12篇。合計同濟大學碩士研究生學位論文選題報告評分表評審項目權(quán)重評 分 標 準得分（百分制）一、選題依據(jù)（A）30%80100分選題有較強的理論意義、實用價值，深刻的學術(shù)研究內(nèi)涵。6080分選題有一定的理論意義、實用價值，有一定的學術(shù)研究內(nèi)涵。60分以下選題缺乏理論意義和實用價值

14、。二、理論基礎(chǔ)和專門知識(B)20%80100分較好的掌握堅實寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)專業(yè)知識6080分基本的掌握堅實寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)專業(yè)知識60分以下未能掌握堅實寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)知識三、選題難度及先進性(C)30%80100分研究課題屬本學科發(fā)展方向并居前沿位置，具有自己獨特的思考、研究課題具有較強的先進性6080分研究課題屬本學科的發(fā)展方向，并具有先進性。60分以下研究課題與本學科的發(fā)展方向先進性不明顯，難度欠佳。四、文字表達（D）10%80100分條理清晰，分析嚴謹，文筆流暢6080分條理較好，層次分明，文筆較流暢60分以下寫作能力較差五、口頭報告(E)10%80100分論文嚴密、邏輯性強、表達清楚。