劉偉偉的開(kāi)題報(bào)告

1、同濟(jì)大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文選題報(bào)告及論文工作計(jì)劃 課 題名 稱 類特異材料的電子復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究 學(xué) 號(hào) 1132132 研 究 生 劉偉偉 專業(yè)、年級(jí) 凝聚態(tài)物理 2011級(jí) 所在院、系 物理科學(xué)與工程學(xué)院 物理系 導(dǎo) 師 江海濤 副教授 選 題 時(shí)間 2012 年 10 月 15 日 同濟(jì)大學(xué)研究生院年 月 日一、立論依據(jù)課題來(lái)源、選題依據(jù)和背景情況、課題研究目的、理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值本課題來(lái)源 973項(xiàng)目，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃“光子晶體的帶隙調(diào)控機(jī)理與新現(xiàn)象研究”；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目；上海市科委重點(diǎn)開(kāi)放項(xiàng)目課題：類特異材料的電子復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究。 人們?cè)诤芫靡郧熬椭?，在受限電子體系

2、中，當(dāng)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(jí)相等時(shí)，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(wú)法在該結(jié)構(gòu)中輸運(yùn)，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(fù)材料和磁單負(fù)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的完全隧穿現(xiàn)象，即由不透明材料組成了一個(gè)透明的結(jié)構(gòu)。因此，我們可以考慮在半導(dǎo)體材料中尋找到電磁單負(fù)材料的電子對(duì)應(yīng)，并實(shí)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(fù)特異材料中的電磁波完全隧穿現(xiàn)象推廣到半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中。本課題，我們

3、對(duì)麥克斯韋方程和薛定諤方程及兩種體系的邊界條件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于一維體系，電磁材料參數(shù)中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都可用電子的能量、有效質(zhì)量和所處的勢(shì)場(chǎng)所滿足的一定關(guān)系來(lái)類比。通過(guò)選取具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，分別類比為電磁體系中的電單負(fù)材料、磁單負(fù)材料、左手材料以及零折射率材料，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，研究這種電子復(fù)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值在于對(duì)調(diào)控電子波的相關(guān)器件的研制具有指導(dǎo)意義。二、文獻(xiàn)綜述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)；所閱文獻(xiàn)的查閱范圍及手段在經(jīng)典電磁波領(lǐng)域，特異材料對(duì)電磁波有

4、著許多奇異的調(diào)控作用，如負(fù)折射現(xiàn)象、平面亞波長(zhǎng)成像、“隱身”現(xiàn)象，負(fù)的古斯-汗欣位移現(xiàn)象，反PT對(duì)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(lái)，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(dǎo)致的新奇電子傳輸現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，如2007 年V.Cheianov 等人將雙負(fù)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(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)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(jī)檢索與手工查閱相結(jié)合所查閱的文獻(xiàn)：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?jī)?nèi)容1學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路、主要研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)本課題主要是通過(guò)設(shè)計(jì)各種類特異材料構(gòu)成的電子復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子波與電磁波性質(zhì)的類比，實(shí)現(xiàn)石墨烯以及拓?fù)浣^緣體中的零折射率材料，雙負(fù)以及單負(fù)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(yùn)性質(zhì)的因素，深入了解局域共振機(jī)制

9、；應(yīng)用電磁場(chǎng)理論、能帶理論、量子光學(xué)和一些相應(yīng)的理論知識(shí)對(duì)共電子波通過(guò)類特異材料所表現(xiàn)性質(zhì)的進(jìn)行理論分析。主要研究?jī)?nèi)容：(1) 研究特異材料中奇異電磁波傳播現(xiàn)象的物理機(jī)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(zhǔn)備。(2) 設(shè)計(jì)類特異材料的電子復(fù)合結(jié)構(gòu)，使之能夠類比于電磁體系中的電單負(fù)、磁單負(fù)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(gè)基礎(chǔ)上，尋找電子體系中所特有的性質(zhì)，找出其物理機(jī)制。(3) 利用線性和非線性元件對(duì)電子波在結(jié)構(gòu)中的傳播性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，設(shè)計(jì)有潛在應(yīng)用價(jià)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(fù)合結(jié)構(gòu)

10、的有效參數(shù)(2) CST Microwave Studio 電磁場(chǎng)仿真模擬(3) 微波實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（4）電磁場(chǎng)理論、量子光學(xué)、能帶理論、緊束縛模型等方面相應(yīng)的理論知識(shí)2擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)施方案及可行性分析本課題采取理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。先查閱文獻(xiàn)，從理論上進(jìn)行預(yù)測(cè)，并設(shè)計(jì)出具體的結(jié)構(gòu)，利用傳輸矩陣方法及Matlab編程對(duì)其場(chǎng)分布及透射特性進(jìn)行計(jì)算。然后利用CST Microwave Studio進(jìn)行全場(chǎng)仿真，對(duì)理論計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際器件上驗(yàn)證仿真得到的結(jié)果，做到理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。我們課題組長(zhǎng)期從事光子帶隙材料及相關(guān)問(wèn)題的研究，多年來(lái)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(dāng)豐富的理論知識(shí)，并擁有完善的實(shí)驗(yàn)材料加工設(shè)備和微波測(cè)試設(shè)備，為課題的實(shí)施提供了條件。此課題得到了國(guó)家基礎(chǔ)研究937項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、上海市科委重點(diǎn)開(kāi)放項(xiàng)目資助。這保證了本課題的順利實(shí)行。此外也對(duì)本課題進(jìn)行了前期的調(diào)研?；谡n題組已取得的成果和調(diào)研結(jié)果，本項(xiàng)目是切實(shí)可行的。四、研究基礎(chǔ)1所需實(shí)驗(yàn)手段、研究條件和實(shí)驗(yàn)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?fàn)畈⑦M(jìn)行理論分析和推導(dǎo)2用ADS，CST等數(shù)值模擬軟件進(jìn)行仿真計(jì)算3進(jìn)行實(shí)際器件的制作4用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)制作的器件進(jìn)行測(cè)量2所需經(jīng)費(fèi)，包含經(jīng)費(fèi)來(lái)源、開(kāi)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(fèi)由國(guó)家937項(xiàng)目，上海市科委重點(diǎn)開(kāi)放項(xiàng)目資助1計(jì)算機(jī)模擬軟件，計(jì)算機(jī)硬件2微帶線基板材料3微波加工設(shè)備4微波測(cè)試儀器五、工作計(jì)劃/-序號(hào)階段及內(nèi)容工作量估計(jì)（時(shí)數(shù)）起訖日期階段成果形式查閱文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)使用相關(guān)計(jì)算軟件，設(shè)計(jì)研究方案，進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作。（1） 根據(jù)對(duì)電磁波中反PT對(duì)稱，古斯-漢欣位移，“彩虹”效應(yīng)等現(xiàn)象的理論分析，進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行編程計(jì)算。（2） 根據(jù)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，類比到電子波體系，進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到理想現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)探究電子波所具有的獨(dú)特的性質(zhì)，比如電子波cloaking等。（3） 對(duì)結(jié)果作進(jìn)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(fù)合結(jié)構(gòu)中的傳播特點(diǎn)，理解相關(guān)現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制。發(fā)表論文12篇發(fā)表論文12篇。合計(jì)同濟(jì)大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文選題報(bào)告評(píng)分表評(píng)審項(xiàng)目權(quán)重評(píng) 分 標(biāo) 準(zhǔn)得分（百分制）一、選題依據(jù)（A）30%80100分選題有較強(qiáng)的理論意義、實(shí)用價(jià)值，深刻的學(xué)術(shù)研究?jī)?nèi)涵。6080分選題有一定的理論意義、實(shí)用價(jià)值，有一定的學(xué)術(shù)研究?jī)?nèi)涵。60分以下選題缺乏理論意義和實(shí)用價(jià)值

14、。二、理論基礎(chǔ)和專門知識(shí)(B)20%80100分較好的掌握?qǐng)?jiān)實(shí)寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)6080分基本的掌握?qǐng)?jiān)實(shí)寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)60分以下未能掌握?qǐng)?jiān)實(shí)寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)知識(shí)三、選題難度及先進(jìn)性(C)30%80100分研究課題屬本學(xué)科發(fā)展方向并居前沿位置，具有自己獨(dú)特的思考、研究課題具有較強(qiáng)的先進(jìn)性6080分研究課題屬本學(xué)科的發(fā)展方向，并具有先進(jìn)性。60分以下研究課題與本學(xué)科的發(fā)展方向先進(jìn)性不明顯，難度欠佳。四、文字表達(dá)（D）10%80100分條理清晰，分析嚴(yán)謹(jǐn)，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(bào)告(E)10%80100分論文嚴(yán)密、邏輯性強(qiáng)、表達(dá)清楚。