石墨烯是一种只有单原子层厚度的二维材料,它具有超高的载流子迁移率,超宽的吸收光谱以及化学势可调等特性,而且作为当下最为热门的材料之一,石墨烯在多种光电器件和微电子器件中都有着潜在的应用前景,比如吸收器、传感器、探测器、调制器、场效应管等等。超材料是一种人工复合结构,具有自然材料所不具备的电磁特性。将石墨烯和超材料相结合可以实现光电器件的性能提升。例如,基于石墨烯的超材料吸收器具有吸收频率易于调节的特点;而将超材料结构用于石墨烯探测器中,由于表面等离子体可增强石墨烯对光的吸收,探测器的响应率也会被相应提高。本文在以上两种情形的基础上,对石墨烯长波红外探测器及吸收器进行了如下仿真设计和基础性实验研究:1.首先我们设计了一种基于超材料宽带吸收器结构的石墨烯探测器,其中宽带吸收器由三个窄带吸收器叠加组成,相比窄带吸收器来说,其吸收带宽提高了三倍。由于该结构对电磁波具有汇聚增强的作用,使得金属狭缝中石墨烯的吸收率得到增强,吸收带宽也变得更宽,因此器件有望实现宽带的探测增强功能。此外,超材料中的金属天线结构可用作电极来提高载流子收集效率,既能使探测器的响应率得到进一步提升,也可以缩短其响应时间。2.其次我们提出了一种基于电磁感应透明结构的偏振无关石墨烯探测器,对不同偏振态的入射光,这种超材料结构均可以将其汇聚在相同的周期性排列的金属狭缝中,使得该处的石墨烯吸收得到增强,因此器件有望实现偏振无关探测增强。而且和上一段中描述的一样,超材料中的金属结构依然可以作为电极使用,来进一步提高探测器的响应率并缩短其响应时间。3.最后我们设计了一种大角度入射的可调谐双带超材料吸收器,利用石墨烯纳米带的化学势可调以及氧化钒的相变特性,在长波红外范围内实现了两个吸收峰的灵活调节,而且既可以通过电学方式也可以通过热学方式对其进行调节。此外器件对大角度入射的电磁波依然可以保持很高的吸收率。