COMSOL二维膜层光学性能-吸收率仿真教学

射线光学模块简介射线光学模块简介© 1998–2018 COMSOL 版权所有受列于/patents中的美国专利 7,519,518、7,596,474、7,623,991、8,457,932、8,954,302、9,098,106、9,146,652、9,323,503、9,372,673 和 9,454,625 保护。

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COMSOL-RF模块计算光学器件透射率的方法探讨透/反射率的计算在电磁波研究中非常常见，计算结果的准确性与材料参数定义，边界条件的选择，网格剖分有十分紧密的关系。

以下是关于电磁波透/反射率计算问题的经验整理，如有错漏欢迎指正和补充。

需要计算透/反射率的器件通常可分为几种类型：1. 波导器件如各类波导分路器，光纤Bragg光栅，其入射端及出射端都满足波导模式。

当入射及出射端波导满足端口（Port）内置结构（同轴/矩形），可直接选择内置的波导类型，如RF案例库中的H弯波导（h_bend_waveguide）及环形器（lossy_circulator）案例。

当波导结构与内置类型不同时，需要首先通过模场分析计算出波导模式，通过Port边界的Numeric类型耦合到频域分析中，作为入射条件。

如V3.5a及V4中的波导适配器（Wave_adapter）案例，以及在V4.2a中更新的dielectric_slab_waveguide案例。

波导常常支持多个模式，为了保证作为频域分析边界条件的模场分布是正确的，可以先进行边界模式分析，设定查找多个模式，根据模场分布从结果中找到作为入射条件的模式对应的模指数，然后在进行整个模型分析时，把此模指数作为参考值（Search for modes around:），查找模式数（Desired number ofmodes:）设定为1。

以此保证入射条件正确。

对于以上两种情况，Port边界内置的S参数可计算出透/反射率，其中S11对应端口1的振幅反射率，S21对应从端口1至端口2的振幅透射率，以此类推。

2. 周期性散射体如金属纳米天线阵列，光栅，光子晶体，在一或两个维度上具有周期性。

在RF模块中，完美电/磁导体（PEC/PMC）是完全反射边界，散射边界（SBC）、端口（Port）边界仅对某些角度或分布的光波透明，其他角度的光波均会有一定程度的反射，而PML如果设置恰当可以保证各角度入射波均被吸收。

• 声流
• 数学
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多体动力学模块
• 刚性体和柔性体的装配
– 大的平行和旋转位移
• 结构力学模块的辅助模块 • 在装配体中连接不同的体 • 提供8种类型的关节
– 棱柱、铰、柱、螺丝、面、球、槽、减少槽
铰关节
• 带锁的平行和旋转约束 • 结果
Chemical Reactions Electromagnetic Field Heat Transfer
传热
Multiphysics
Structural Mechanics
结构 力学
流体 流动
Fluid Flow User Dedined Equations
Acoustics
自定义 方程
声学
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• 电池
PEMFC（质子交换膜燃料电池）氢离子浓度
仿 真 智 领 创 新
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腐蚀模块（新）
介绍:
– 基于电化学原理的腐蚀和防腐蚀仿 真 – 电偶, 斑蚀, 缝隙腐蚀, 等等 – 阴极保护
应用:
– 腐蚀和防腐:
• • • • • • 近海结构如石油钻探 船舶和潜艇 土木工程结构 化学加工工业设备 汽车部件 航空航天应用的机械结构
地下水流模块
• 多孔介质中的石油和燃气流动 • 地下水流 • 土壤污染
• 石油开采分析
• 多孔弹性材质压实
微孔隙流动模拟
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管道流模块（新）

Comsol软件在二维材料教学中的应用摘要：石墨烯是一种典型的二维材料，具有优良的光学和电学性能，光-物质响应能力强并且易于进行光电调控，在小型化、多功能化的光电子学器件研究中具有广阔应用前景。

为了进行石墨烯的理论与实验教学，首先需进行准确的光电特性建模。

目前，始终缺乏针对石墨烯精准、直观的光电仿真方法，导致教学内容晦涩难懂。

有限元分析软件Comsol Multiphysics具有多物理场综合仿真能力，可自主编译并且剖分精确，可为石墨烯的理论教学提供直观、易于理解的仿真手段。

本文通过研究石墨烯的光电特性，确定了准确的建模参数，之后利用Comsol进行了建模仿真，通过与公开实验数据对比验证了模型的正确性。

该建模方法可用于进行多种二维材料的教学演示。

关键词：Comsol软件，石墨烯，二维材料，仿真建模一、石墨烯特性石墨烯（graphene）是由单层碳原子以六角形式排列的蜂巢状晶格平面结构，2004年，英国科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov利用机械剥离法成功制备出单层石墨烯，掀起了对二维材料的研究热潮[1]。

石墨烯每个碳原子都有六个电子，其中2个为内壳层电子，4个为外壳层价电子。

形成石墨烯晶格时，碳原子外壳层4个价电子中的3个电子按sp2杂化轨道分别与邻边三个碳原子构成平面共价键，用“σ”键表示，相比于钻石的sp3杂化轨道共价键，石墨烯具有更为坚固的轨道键，这决定了其卓越的机械性能。

共价键外的一个电子被称为‘π’电子，由于石墨烯的平面结构，其可以自由移动且具有超高迁移率，这一特性使石墨烯展示出了诸多奇异光电子学性质。

不同于其他半导体材料，石墨烯具有零带隙特性，如图1。

其特殊的能量-色散关系决定了石墨烯的超高电导率。

科学家们在理论上证明了石墨烯载流子迁移率可达到100000，实验中诸多研究者获得了超过15000的载流子迁移率。

这一数值超过硅材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质，因此石墨烯也被称为“半金属”。