【摘要】：近零折射率(ENZ)材料和結(jié)構(gòu)由于具有極強(qiáng)的電磁場局域特性,有可能給光學(xué)非線性、光學(xué)傳感等領(lǐng)域的研究帶來新的活力。若是在表面等離激元模式中引入ENZ,那么不僅可以擁有表面等離激元(SPP)模式特殊的光學(xué)性質(zhì),還可以利用ENZ的特性實(shí)現(xiàn)電磁場局域的進(jìn)一步增強(qiáng)。目前實(shí)現(xiàn)ENZ的方案往往工作頻段受限,且大都不具備可調(diào)諧的特性。針對這兩個問題以及為實(shí)現(xiàn)電子與光子集成的整合,本文提出利用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體中產(chǎn)生ENZ區(qū)域,進(jìn)一步增強(qiáng)金屬-氧化物界面支持的SPP模式的局域特性,同時利用外加電壓對反型溝道中電子濃度和介電常數(shù)分布的控制作用實(shí)現(xiàn)電磁場的二維限制和調(diào)控。其主要研究工作與成果如下:(1)研究了線性摻雜Si三層平板內(nèi)近零介電常數(shù)的產(chǎn)生及其所支持的電磁模式特性,研究結(jié)果表明,當(dāng)過渡區(qū)(介電常數(shù)漸變的區(qū)域)介電常數(shù)存在過零界面時,過渡區(qū)內(nèi)存在一個泄漏模式,在介電常數(shù)發(fā)生漸變的方向上電磁場局限在ENZ區(qū)域附近,且介電常數(shù)漸變的斜率越大,局域特性越好。(2)研究了MOSFET結(jié)構(gòu)反型溝道內(nèi)的電子濃度以及介電常數(shù)分布情況,分析了氧化物層厚度、源漏極之間的距離、柵極電壓和源漏極電壓對電子濃度分布的影響,結(jié)果表明MOSFET結(jié)構(gòu)能夠有效地提高電子濃度,并且可以同時在x方向和y方向獲得漸變的電子濃度和介電常數(shù)分布,ENZ波長范圍擴(kuò)展到~0.79μm-~25μm。(3)對反型工作模式下的MOSFET結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電磁模式分析,結(jié)果表明形成ENZ區(qū)域時MOSFET中支持的電磁模式本質(zhì)上是傳統(tǒng)二維SPP和ENZ區(qū)域內(nèi)支持的泄漏模式的混合;分析了柵極電壓和源漏極電壓對該電磁模式場分布的調(diào)控作用,并對其局域特性進(jìn)行了定量分析,結(jié)果表明當(dāng)MOSFET結(jié)構(gòu)內(nèi)存在ENZ區(qū)域時,所得混合電磁模式的模式面積更小,且在近紅外波段傳播距離可達(dá)幾十甚至上百μm。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN386
【圖文】：

圖 1-1 材料的分類相同時，普通材料與 ENZ 材料內(nèi)電磁的電磁特性仍然可由麥克斯韋方程方程組中法拉第定律和安培定律變 場強(qiáng)度， 為介電常數(shù)， 為磁導(dǎo)率，用了各向同性材料中的物質(zhì)方程，

波頻率相同時，普通材料與 ENZ 材料內(nèi)電磁波波長料內(nèi)的電磁特性仍然可由麥克斯韋方程表征[8克斯韋方程組中法拉第定律和安培定律變換到 為磁場強(qiáng)度， 為介電常數(shù)， 為磁導(dǎo)率， 表還應(yīng)用了各向同性材料中的物質(zhì)方程，即：中，當(dāng)介電常數(shù) 時，有 ， 解耦，同時由于電磁波的相速度 度趨近于無窮大，因此在 ENZ 材料內(nèi)其相位率，波長會被拉長，如圖 1-2 所示。相對于真 ， 為真空中介電常數(shù)， 為介質(zhì)介電常數(shù)） ）內(nèi)，波長被顯著拉長，這就意味著在

實(shí)現(xiàn)了時間變化（與頻率 f 相關(guān)）與空間變化（與波長 相關(guān)Z 材料與普通介質(zhì)材料界面附近，斯涅爾定律[9]: 其中 和 分別為兩個介質(zhì)的折射率， 和 分別為入射角和出射常數(shù) 時，材料的折射率 也近似為零，電磁波的傳輸情的特點(diǎn)。圖 1-3 和 1-4 分別給出了普通介質(zhì)內(nèi)光路情況和當(dāng)光從 E材料時光路情況的對比以及普通介質(zhì)內(nèi)光路情況和當(dāng)光從普通材料時光路情況的對比。當(dāng)光從 ENZ 材料出射到一般介質(zhì)時情況如圖 ， ，所以只有出射角 滿足 條件的光才能出射介質(zhì)入射到 ENZ 材料內(nèi)時，如圖 1-4 所示，由于 ， 入射角 滿足 這個條件時，入射光才能進(jìn)入 ENZ 材料內(nèi)，而 ）的入射光都將被全反射，此時滿足入射條件的光其透射角是任意

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