本书主要以作者团队在石墨烯电磁特性与应用领域的研究和进展为基础展开，内容涉及石墨烯的研究现状和制备方法，石墨烯的电学/光学特性与建模调控方法，石墨烯在微波、毫米波、太赫兹等多频段的应用。本书首先介绍了石墨烯在太赫兹、红外频段表面等离激元束缚、传播、调控机理及表面波、空间波和导行波的应用，包括等离激元透镜、电磁黑洞、全光逻辑门、纳米开关、数字超材料、可重构超表面、电光调制器、波束扫描天线等研究进展; 然后重点阐述了石墨烯静态和可调电阻膜在微波、毫米波器件领域的研究进展，内容涵盖理论分析、结构设计、器件加工、功能验证等，系统介绍了基于石墨烯电阻膜的可调衰减器、九路功分器、无线传感器、移相器、透明/可调吸波器、吸透频选表面、极化变换器、多波束与阵列天线等; 最后总结分析了石墨烯主要生产国和地区的产业概况、已经取得的商业化突破及未来潜在的工程应用前景。

石墨烯是一种新型二维材料，自2004年被发现以来，其各方面的优异性能一直为科学界所瞩目。基于石墨烯的透明导电薄膜、柔性触摸屏、传感器、光电探测器、储能器件等各种应用层出不穷。不论是单独的石墨烯或是与其他材料混合成的复合材料和结构，均表现出优异的特性；此外其形态比较灵活，既可以与传统的硅基平面集成电路兼容，又可以作为复合涂料、溶剂等材料使用，所以应用前景十分广阔。石墨烯的构成成分为碳，是地球上来源广泛的原料，不仅成本低，而且绿色环保。 研究表明，石墨烯的电磁特性同样优异。从微波、毫米波到太赫兹、红外等频段，石墨烯都具有动态可调特性，是传统电磁材料所不具备的；尤其在太赫兹频段，石墨烯不仅能支持表面等离子体波的传输，还具有非常强的束缚性，弥补了传统贵金属如金、银、铜等的不足。基于以上优异的电磁性能，石墨烯有望从微波到红外及可见光波段，都具有极高的应用价值和前景。美国、欧盟、韩国、日本等相继布局，投入巨资开展石墨烯材料的制备和应用研究。早期对石墨烯的研究更多是在太赫兹及更高的频段开展，而在微波、毫米波段的研究较少。这主要是因为早期受限于石墨烯材料的制备工艺水平，很难对石墨烯在微波、毫米波段的电磁特性开展实验研究，同时也缺少在微波、毫米波段的准确电磁模型。近几年，随着石墨烯制备工艺水平的进展，以及石墨烯电磁模型的建立，石墨烯在微波、毫米波领域的理论和实验研究取得了很大进展。 本书主要以作者及其所在团队近十年来在石墨烯电磁领域的研究进展为主要内容，力图较为系统地介绍石墨烯电磁特性及应用基础的研究现状。书中内容包括石墨烯的电磁建模、电磁特性理论与实验研究；石墨烯在红外及太赫兹频段对表面等离激元波的束缚、传播、调控及其应用；可调微波器件，如衰减器、功分器、移相器、天线、吸波器等的理论与实验研究进展。通过本书，作者希望能给读者带来启示，并对相关科研人员起到抛砖引玉的作用，进而对我国石墨烯的科学研究和实际应用起到一点推动作用。本书可供高等院校材料、物理和信息等专业高年级本科生、研究生及研究院所科研人员参考和阅读。由于作者水平有限，加之时间仓促，书中不妥或疏漏之处在所难免，敬请专家和读者批评指正。 陆卫兵 2021年11月

第1章 绪论1 11石墨烯的发现1 12石墨烯的特性简介2 13石墨烯的研究现状3 131国外相关现状6 132国内相关现状7 14石墨烯的制备7 141机械剥离法 8 142外延生长法 9 143氧化还原法10 144化学气相沉积法11 15石墨烯的转移13 151湿法转移13 152卷对卷转移14 16石墨烯图案加工14 161激光刻蚀法14 162离子刻蚀法15 163喷墨打印法 16 164衬底加工法 17 17石墨烯的表征19 171图像类表征19 172图谱类表征21 参考文献21 第2章 石墨烯的电磁特性与建模33 21引言33 22石墨烯的电学特性33 221石墨烯的电子结构33 222多层石墨烯的能带结构36 223缺陷和边缘的影响39 23石墨烯的光学特性43 231线性光吸收43 232非线性饱和吸收44 233电/光致发光46 24石墨烯的电磁模型49 241石墨烯的电导率49 242表面阻抗模型51 243介电常数模型51 25石墨烯的调控方式54 251偏置电压调控54 252电解质增强调控54 253量子点调控56 参考文献56 第3章 太赫兹应用63 31石墨烯表面波应用63 311石墨烯表面等离激元特性63 312石墨烯扫描波束平面透镜65 313石墨烯Luneburg透镜69 314石墨烯柔性表面等离激元器件74 315石墨烯平面电磁“黑洞”80 316石墨烯全光逻辑门84 317石墨烯纳米条带与谐振环的等离激元开关87 32石墨烯空间波应用93 321石墨烯对空间波的调控机理93 322石墨烯可调FabryPérot谐振腔的波前控制99 323石墨烯数字超材料104 324石墨烯可重构超表面110 325石墨烯反射幅度调制器113 326石墨烯太赫兹波束扫描天线114 33石墨烯导行波应用121 331石墨烯对波导的调控机理122 332石墨烯电致吸收调制器125 333局域等离增强电光调制器130 34国内外前沿实验进展137 341石墨烯太赫兹调制器137 342石墨烯太赫兹探测器138 343石墨烯太赫兹源142 参考文献144 第4章 微波、毫米波静态电阻膜应用153 41石墨烯均匀方阻特性153 42石墨烯透明吸波屏蔽盒154 43高电导率石墨烯膜毫米波阵列天线158 44石墨烯无线应力传感器161 45石墨烯吸波透波一体化频率选择表面164 46石墨烯全向电阻的九路功分器166 47大面积多层石墨烯的微波吸波器170 471多层石墨烯的阻抗特性171 472吸波器的传输线模型172 473吸波器的设计及分析174 474加工方法及实验验证180 48石墨烯条带的微波波束控制182 481单元的设计及等效电路模型183 482基于石墨烯条带的阵列排布186 483实验验证及讨论188 49掺杂石墨烯的透明柔性超宽带吸波器190 491硝酸对石墨烯的掺杂效应191 492超宽带吸波器的结构及性能195 493超宽带吸波机理分析200 494样品加工过程及测试结果204 410国内外前沿实验进展208 4101基于石墨烯电容的宽带可调雷达吸波器208 4102基于石墨烯电容的幅频双控雷达吸波器210 4103柔性石墨烯微带贴片天线211 4104多模可重构微带天线212 4105基于石墨烯的超宽带天线213 参考文献213 第5章 微波、毫米波可调电阻膜应用218 51表面电导率/电阻可调特性218 52石墨烯可调SIW衰减器219 521可调SIW衰减器的理论219 522样品加工及测试结果227 53石墨烯可调微带线衰减器229 531可调微带线衰减器理论229 532样品加工和测量结果237 54石墨烯CPW衰减器和槽线衰减器241 541可调CPW衰减器的理论分析241 542可调槽线衰减器的理论分析245 543样品加工和测量结果247 55石墨烯可调耦合线衰减器251 551基于石墨烯的可调耦合线衰减器的结构251 552覆盖单层石墨烯的间隙的理论分析253 553覆盖石墨烯“三明治”结构的间隙的理论分析256 554基于石墨烯“三明治”结构的耦合微带线衰减器的设计259 555样品测量结果261 56石墨烯宽带可调同轴衰减器264 561同轴衰减器的理论分析264 562样品加工和实验测试269 57石墨烯微带衰减器及其在天线中的应用271 571石墨烯微带衰减器271 572增益可调喇叭天线274 58石墨烯的衰减、放大和传输一体化动态可调SSPP器件278 581基于SSPP衰减、放大的一体化器件的设计278 582仿真和实验结果290 59石墨烯/金属复合结构的微波波前动态调控292 591编码单元的设计293 592基于石墨烯/金属复合结构的二进制编码单元应用场景297 593实验验证303 510石墨烯极化变换器305 5101极化变换的原理及极化变换器单元设计305 5102基于石墨烯的极化变换器性能309 5103实验验证及讨论313 511石墨烯“三明治”结构超薄动态可调吸波器316 5111石墨烯“三明治”结构及其动态可调机理316 5112吸波器模型设计及仿真结果318 5113等效电路模型320 5114表面电流分布323 5115参数影响分析324 5116样品加工与测量结果327 512石墨烯可调宽吸中透吸波器329 5121宽吸中透器件的传输线模型330 5122基于石墨烯的FSR原型设计332 5123设计模型在其他频段的适用性334 5124可调传输窗口的实现335 5125实验验证338 513可调宽带吸波器342 5131宽带吸波器的设计原理342 5132宽带吸波器的可调性346 5133低方阻可调的石墨烯的设计与测试347 5134可调宽带吸波器的加工测试348 514石墨烯柔性可调SSPP波导衰减器349 5141柔性可调SSPP波导衰减器的理论分析350 5142样品加工和测量结果358 515国内外前沿实验进展361 5151基于少层石墨烯的宽带微带衰减器361 5152基于石墨烯的可调滤波衰减器361 5153基于少层石墨烯薄片的电压控制可调衰减器363 5154石墨烯的毫米波波束可重构天线364 5155基于少层石墨烯的电压控制可调谐平面天线367 5156基于少层石墨烯的电压控制可调谐移相器368 5157基于石墨烯纳米片的共面波导可调衰减器369 参考文献372 第6章 应用前景展望380 61全球石墨烯产业概况380 611欧盟380 612美国382 613英国383 614日本384 615韩国385 616中国385 62商业化应用386 621欧洲388 622北美391 623亚洲393 63发展趋势介绍394 64结语398 参考文献399