体电导率石墨烯二氧化硅超材料

你的理论和Matlab我没法检验,但是仿真文件是有问题:
1:像这种周期结构,需要至少画出3个周期,然后仿真中间的周期单元。你这个结构是不是可以简化为2D? 如果是作二维仿真更快一些。
2:石墨烯厚度只有1纳米,但是你的网格是3纳米,

这显然不能分辨它。你需要用更细的网格,例如0.3纳米来分辨。即使如此,也只有3个网格,属于中低精度。
3: 几何结构在X方向也是半无限大吧?如果是,需要延长它们,一直穿过PML。
4:因为网格很细,从你指定的细网格尺寸过渡到MeshAccuracy的背景网格尺寸,需要很长的过渡距离,因此,建议你大大增加X方向的仿真长度,例如10微米, 要保证PML位于均匀的粗网格中。

请先调整仿真设置。

1.mesh 改小曾经试过,结果没有变好。
2.我的理论就是effective permititivty theory.计算公式中就有石墨烯厚度,所以是不是不能设置成二维的?
还有fdtd里面的二维石墨烯材料有默认厚度吗?
计算公式 如下o’ren’hou’du。
tg is the thickness of graphene layer and εg is the graphene’s permittivity,td is the thickness of sio2 layer and εd is the graphene’s permittivity of sio2。fg=tg/(td+tg)为石墨烯的占空比。

3.几何结构x方向没有说半无限大,理论上是无限大。模型:。z为周期方向,x为光源方向,y为偏振方向。
4.加大了x方向的仿真长度到10um后,计算时间特别长,需要半个月。

我已经按照老师您的建议改了模型。wwj.fsp (783.5 KB)
<a class=“attachment” href="//lumerical-community-uploads.s3-us-west-

附上主要的参考文献。
2.amazonaws.com/original/2X/8/862649afb13ab74df009b3b15279645a10066d5c.pdf">ContentServer.pdf (1.5 MB)

oe-21-14-17089.pdf (1011.8 KB)

A1:小到什么程度?结果变化多少?最好是给出量值,以方便交流;
A2:遗憾,你的公式我这里看不到:

二维石墨烯材料有默认厚度可以认为是1纳米。

A3:你再想想无限大和半无限大有什么区别:如果是无限大,能有这个空气界面吗?

A4:加大x方向的仿真长度,主要是考虑在石墨烯与SiO2沿X方向产生表面场而影响仿真结果,如果没有这个顾虑,你可以缩短这个距离,整个仿真长度可以在半个波长左右,你也可以用时间监视器加在结构和PML之间,看看有没有反射。

为了避免周期边界在石墨烯上可能产生问题,我建议你将仿真区在Z方向位移半个周期,使得仿真区内只有一个石墨烯。
另外,Y方向我也增加了结构的尺寸。
看你的3维结构图,这种结构是可以简化为2D仿真的,这样仿真就不需要很多内存,主要是因为网格相对波长太小、时间步长太小从而导致仿真非常慢。因此,建议你用2Dsheet测试,此时网格可以大一些,厚度按1纳米计算,你也可以试一下。此时周期可能需要变化1纳米(因为2DSheet没有几何厚度)。

总之这个仿真也是比较有挑战性的,再加上你是要验证你的理论,所以需要很多测试、调整。
参见附件,仅作参考,其中Y方向仿真区很薄 因为结构相当于2D。
wwj-1.fsp (779.5 KB)

3Dsheet模型修改:xiugaihou.fsp (2.2 MB)。结果总是不收敛,我知道不收敛可以通过改PML层和减小仿真时间。但是任然不收敛。

按照您说的设置成2Dsheet:2D-graphenen - 副本.fsp (769.6 KB)
仿真得到的反射率结果:

老师您看这样设置有问题吗?

计算公式如下:

看来我白给你改了,Y方向结构不对,仿真的Yspan可以很小,因为Y方向结构没有变化。

不能通过减小仿真时间的方法!

你说的不收敛是指仿真需要很长时间才能结束吧?仿真慢的原因上次已经讲了。

2Dsheet:2D-graphenen - 副本.fsp 结构和光源完全错误。

你应该重新在XY平面上设置仿真区,重新添加结构,XY面应该是这样:

2D-graphenen是一条线表示第三维是无限的;其Yspan是零因为2Dsheet的厚度是零,实际上当仿真区是2D时,石墨烯就是沿Xf的一条线。

反射率大于一说明仿真的时间不够,你需要加大仿真时间,你可以通过时间监视器察看最后阶段场是不是在1E-5量级或者更小。

A1:那你要看当时的语境。第一次是因为在Y方向你的结构尺寸与周期刚好相等,因此要求你加大Y方向的结构尺寸。一个没有说加大仿真尺寸吧?现在是认为在Y方向结构没有变化,因此可以作为2D仿真,这个时候 仿真区的Yspan可以很小。Z方向是周期,仿真尺寸不能变必须是周期。

A4:2D仿真有两个方法:重新设置结构在XY平面,因为FDTD的2D仿真只能在XY面;第二种方法,为了不增加你的工作量,将Y方向设置为一个Mesh大小并且是周期边界,也可以实现2D仿真。什么时间给你改成沿Z入射了?是你自己的文件问题:

当你在XY面作2D仿真时,因为光沿X入射,你的2Dsheet的厚度也就是说Yspan为0,对不对?在XY面是一条线,但是相当于Z方向无限大,参见

你测试一下这个文件,里面有些改动,你看看能不能理解。仿真时间设置为6000太短了,测试发现AUtoshutoff在0.4 ,我只是将仿真时间增加了10倍,如果反射率仍有大于1的情况,可以再次增加仿真时间,或者搜索中文帖子找解决办法。
xiugai2D.fsp (771.5 KB)

对二维模型2Dsheet再分析发现,你现在的情况应该是不能使用,抱歉。主要原因是2Dsheet只考虑面内的效应,而你的结构现在需要第三维的效应。
我测试了你的第二个文件,发现仿真时间太短,你增加10倍看看。我这里也测试一下。同时要注意所有结构要穿透PML。

因为你的网格尺寸相对波长实在太小,仿真需要的时间很长是正常的,因为FDTD的总仿真时间与时间步长相当于反比关系,假如仿真时间需要1000飞秒,那么仿真的时间步长越小,需要的CPU时间越长。你的结果透射率超过, 常见的原因就是仿真时间不够长。

这个说明此偏振可能对材料特性和仿真设置更敏感。
我测试了一些不同的情况,发现结果变化比较大。

主要问题可能有:
1:原来的材料拟合不够好


2:网格不够细,参见
https://kb.lumerical.com/en/index.html?materials_simulations_with_silver.html

1.25 纳米时可以看到尖峰但是长波长比较平且透射率很高。估计可能需要高精度仿真。

再细的话我这边没法测试,时间比较长,你自己测试看看。另外,当与别人比较时,材料模型应该一样。
youjjian-1.fsp (271.5 KB)
另外,请注意这句话:line width 50 nm and height 100 nm,看看和你设置的是否一样
image
另外参考这个帖子找可能的其它原因:

白光光源,就是宽光谱光源。

另外,垂直方向平行方向的定义不清楚,在XZ和YZ面看到的结果正好相反。所以最好说是Ex还是Ey偏振。

最后,以前我没有注意到,此帖的主体不是现在的问题,再有问题请单独发帖。

A1:请检查你的结构和设置:


有的结构完全在边界条件内,应该不对吧?
建议你重新设置结构,让光源沿Z入射。

A2:石墨烯很细,但是你的网格尺寸远大于石墨烯的尺寸:

能不能尝试窄谱4到6微米,大大增加仿真时间,大大减小Autoshutoffmin,例如设置为1E-8。 因为这个谐振很强,需要时间来逐步建立这个谐振。你先修改、测试一下看看。

根据image
结构在图中的Y方向是无限的,因此,你可以将结构简化为二维仿真,这样可以大大加快仿真进度。此时,二维仿真在软件里是在XY平面,因此,你需要修改一下结构,同时要保证所用的石墨烯材料是正确的,目前你文件中有几个不同费米能级的材料。

也许他需要很长的作用距离,你试一下这个。
也许需要更细的网格。X-Y (1).fsp (2.2 MB)

主要的原因是X与YZ方向的网格尺寸差别太大了。一般差别在5左右还可以,再大就容易发散。
另外,你应改增加仿真区Xspan。
你再修改测试一下。

有进步。
没有看到Log文件,我估计很可能是仿真时间不够。你看一下Log文件,如果是100%结束仿真,需要大大增加仿真时间。另外你应改再增加仿真区Xspan,因为你只对反射率感兴趣,所以长一些应该有助于建立谐振。

我修改了你的文件,你再试一下,特别注意你的材料特性是否正确。似乎原来3D中的Graphene_0.1ev-2.5e-13s(RPA)看起来合适一些,其它材料有点玄,请先理论确认材料模型正确。X-Y (3) (1).fsp (2.1 MB)
不过材料特性的精确拟合似乎有点问题。

请问老师,仿真得到的反射率结果,基本都是对的,就是有点波动。该这样怎么修改呢??

我估计在15000纳米左右有一个谐振,可能需要更长的仿真时间,更小的Autoshutoffmin,例如1E-9或更小。

不是的,老师。我想让波浪锯齿的地方变平,也就是1500nm处和2500nm处一样,反射率为1。应该如何修改呢??

在这个帖子里面,你有几个文件,而且好像材料也很不同。请你先确认材料的数值完全没有问题。其中一个文件用Palik的SiO2


另外的文件用无色散介质

其次,从结果看,那里应该是有一个谐振。 你用Matlab计算模型结果所用的材料与仿真的完全一样吗?我们能否固定一个仿真文件一套材料,用你的理论给出一个结果,再讨论仿真结果可以吧?我希望看到它们用的材料、结构尺寸完全一样。