【摘要】：石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來(lái)便以優(yōu)異的性能引起了廣泛關(guān)注,人們已經(jīng)將石墨烯用于制備超級(jí)電容器、超快晶體管、超快光子探測(cè)器、超快鎖模激光器等器件中,在場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光伏電池、液晶顯示等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,石墨烯在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域存在如下缺點(diǎn):單原子層厚度的石墨烯厚度極薄不易被識(shí)別;在可見(jiàn)和近紅外波段,石墨烯載流子發(fā)生帶間躍遷到導(dǎo)帶,對(duì)光的吸收主要由帶間躍遷決定,實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的吸收率僅為2.3%。這些缺點(diǎn)極大限制了石墨烯在光電領(lǐng)域的應(yīng)用。因此研究增強(qiáng)石墨烯的光吸收具有現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外報(bào)道提高石墨烯吸收率的研究有很多,但有的方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜且吸收率并不能實(shí)現(xiàn)寬波段、寬角度的吸收增強(qiáng)。為此,本論文以波導(dǎo)-光柵共振結(jié)構(gòu)增強(qiáng)石墨烯光吸收為研究重點(diǎn),提出光學(xué)共振結(jié)構(gòu)用于提高單層石墨烯的光吸收能力,對(duì)每種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)石墨烯的吸收機(jī)理進(jìn)行了深入研究,主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn):1.提出一種基于導(dǎo)模共振布儒斯特濾波器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)單層石墨烯的光吸收。該結(jié)構(gòu)為一層光柵層與基底,在未加入石墨烯層時(shí),由于結(jié)構(gòu)的導(dǎo)模共振效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突變的反射峰,入射光照入石墨烯層后在共振波長(zhǎng)處會(huì)增強(qiáng)與光的相互作用,使得截面處電場(chǎng)增強(qiáng),吸收率被提高。利用等效介質(zhì)理論和嚴(yán)格耦合波分析法對(duì)結(jié)構(gòu)的吸收率進(jìn)行計(jì)算,得出吸收譜線,發(fā)現(xiàn)電磁波以布儒斯特角入射時(shí),在632.8 nm波長(zhǎng)處出現(xiàn)一個(gè)極窄的吸收峰,且吸收率最高被提高到55%。2.引入“三模式吸收器”理論模型,通過(guò)使用一個(gè)光柵層與介質(zhì)層再組合一個(gè)光柵層或介質(zhì)層的三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)光的吸收增強(qiáng)。其中,三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以看成兩個(gè)無(wú)損諧振器,石墨烯層可以看作一個(gè)有損諧振器,當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的泄露率與損耗率相當(dāng),即滿足“臨界耦合”條件時(shí),會(huì)出現(xiàn)100%吸收。根據(jù)“三模式”吸收結(jié)構(gòu)的吸收機(jī)理,設(shè)計(jì)了兩種不同的結(jié)構(gòu),在第四章中分別對(duì)每種結(jié)構(gòu)展開(kāi)相關(guān)研究,通過(guò)使用嚴(yán)格耦合波分析法計(jì)算出吸收光譜圖,得到這兩種結(jié)構(gòu)分別在1680 nm和980 nm波長(zhǎng)附近會(huì)出現(xiàn)近100%的完美吸收。3.考慮到所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)需要應(yīng)用到實(shí)際的光電器件,而對(duì)于前面提出的波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)中光柵層的制備,無(wú)法保證大面積生產(chǎn)而無(wú)誤差,且單層石墨烯的制備與轉(zhuǎn)移同樣存在著困難,于是又提出一種更易于推廣到大面積生產(chǎn)的石墨烯-介質(zhì)-金屬(GIM)結(jié)構(gòu)。該GIM結(jié)構(gòu)使得石墨烯層與最底部的金屬層形成類似于FP共振腔,當(dāng)光照入結(jié)構(gòu)中在共振腔多次與石墨烯作用,實(shí)現(xiàn)石墨烯光吸收率的提高。在對(duì)該結(jié)構(gòu)計(jì)算中發(fā)現(xiàn),當(dāng)石墨烯層為10層時(shí)會(huì)在500 nm和800 nm范圍附近出現(xiàn)兩個(gè)100%的吸收峰,通過(guò)調(diào)整介質(zhì)層的厚度更會(huì)出更多的吸收峰。
【學(xué)位授予單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN25
【圖文】：

南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文石墨烯的每個(gè)碳原子皆為ｓｐ２雜化，每個(gè)原子貢獻(xiàn)出ｐ軌道電子形成鍵，電子可由移動(dòng)，賦予石墨烯優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，石墨烯的遷移率可達(dá)２Ｘ１２／（Ｖ＿ｓ）［１３］，約為硅中電子遷移率的１４０倍。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性還表現(xiàn)在其電導(dǎo)率１０６Ｓ／ｍ［１４］，其面電阻約為３ｉｎ／ｓｐ，是室溫下的導(dǎo)電材料。石墨烯同時(shí)還具有優(yōu)異學(xué)與熱學(xué)性能，石墨烯的強(qiáng)度理論上可以達(dá)到普通鋼的１００倍，是己知材料中強(qiáng)度的品體結(jié)構(gòu)。在室溫下，石墨烯的熱導(dǎo)率約為５邋ｘ邋１邋0３邋Ｗ／ｍ邋？邋Ｋ［邋１５１，是銅熱導(dǎo)率（４０１邋Ｗ／ｍ．１０倍多。逡逑

射區(qū)和透射區(qū)的電磁場(chǎng)表達(dá)式，通過(guò)數(shù)學(xué)求解可以求得入射區(qū)和透射區(qū)各級(jí)衍射波的振逡逑幅。根據(jù)所求得的振幅進(jìn)一步可以計(jì)算各級(jí)衍射波的衍射效率或衍射場(chǎng)的強(qiáng)度分布等。逡逑一維矩形光柵結(jié)構(gòu)如圖２－ｌ（ａ）所示，設(shè)該光柵的周期為兒占空比為／，槽深為Ａ逡逑低折射率部分（無(wú)材料介質(zhì)填充部分）的折射率為《ｇｒ，高折射率部分（有介質(zhì)材料填逡逑充部分）的折射率為《，．ｄ。整個(gè)空間分為入射區(qū)、光柵區(qū)、透射區(qū)三個(gè)區(qū)域，入射區(qū)和逡逑透射區(qū)的折射率分別為《丨和《丨丨，取光柵矢量在；ｃ方向，ｚ軸垂直于邊界方向，在光柵區(qū)逡逑內(nèi)（０＜ｚ々／）周期性的相對(duì)介電常數(shù)展開(kāi)為Ｆｏｕｒｉｅｒ級(jí)數(shù)形式：逡逑／、邐（邋■邋２ｎｈｘＮ逡逑ｅ（ｘ）邋＝邋２ＪｇｃＭｊ－Ｔ－逡逑ｄ邋Ｖ邋Ａ邐（２－１）逡逑－１１邋－逡逑

邐（２＇３0）逡逑（．ｓｏ逡逑２７0ｒｅ邋＋逡逑下圖２－２中所示為使用轉(zhuǎn)移矩陣法計(jì)算出的真空中單層未摻雜石墨烯的透射率｜Ｔ｜２逡逑和反射率丨／？丨＇２。逡逑１邋？0邐ｉ邋邋ｒ．邋ｎ邋邋？邋ｒ邋邋邋１邋ｉ邋＾逡逑２邐一邋－－邋一一逡逑——ｉＲｒ邐ｚ廣－一逡逑０．８邐Ｉ－－邋ＩＴＩ２邋，邋’邋一逡逑�，’：辶x希彥澹彥澹斟澹澹�，邋｜邋，邋｜邋，邋劐，邋辶x希板危沖澹跺危瑰危保插澹保靛義希疲潁澹瘢酰澹睿悖澹郟裕齲蒎義賢跡玻艙嬋罩械ゲ鬮粼郵┑耐干瀆屎頭瓷瀆叔義瞎鬩迤子蛑甘卣蠹際跤胱憑卣蠓ㄏ嗨

本文編號(hào)：2760707