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太赫兹等离子体激元的电子-电磁多物理场建模：综述

DOI：10.1109/JMMCT.2019.2957361 期刊：IEEE Journal on Multiscale and Multiphysics Computational Techniques 出版年份：2019 更新时间：2025-09-16 10:30:52
摘要： 本文综述了太赫兹等离子体应用中电子-电磁多物理场建模的数值与解析方法。我们重点考察了电子输运的半经典理论框架下的方法，因其适用于研究二维电子气系统（常见于高电子迁移率晶体管HEMTs和石墨烯片层）中的等离子体波现象学。在模拟此类电子-等离子体器件时，需建立入射电磁波与器件的耦合模型或器件发射模型，因此需要采用电子-电磁耦合的多物理场多尺度模型。这类建模问题的计算域包含需要求解电动力学方程的大范围区域，故整体计算效率取决于电动力学方程的求解速度。然而，电动力学求解速度受限于最小网格尺寸——该尺寸又由电子输运方程决定。针对这些问题，本文综述了与流体动力学方程耦合的无条件稳定时域有限差分法(FDTD)和迭代交替方向隐式(ADI)-FDTD方法，探讨了基于FDTD、ADI-FDTD及迭代ADI-FDTD的全局建模方法的优势与权衡，并总结了研究结论。
作者： Shubhendu Bhardwaj
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研究概述 实验方案

研究目的

回顾太赫兹等离子体应用中电子-电磁多物理场建模的数值与解析方法，重点研究电子输运的半经典体系以探究二维电子气系统中的等离子体波现象学。

研究成果

该综述得出结论：无条件稳定的时域有限差分（FDTD）方法与迭代交替方向隐式时域有限差分（ADI-FDTD）方法，结合流体力学方程，在太赫兹等离子体应用的电子-电磁耦合多物理场多尺度建模中具有优势。文中总结了不同建模方法之间的权衡关系，强调了根据具体仿真需求选择合适方法的重要性。

研究不足

电动力学解法的速度受限于最小网格尺寸，而该尺寸是电子输运方程的函数。文中讨论了基于FDTD、ADI-FDTD及迭代ADI-FDTD的全局建模方法在精度与时间效率之间的权衡。

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