石墨烯是一種二維單層超材料,由碳原子以蜂巢狀排列密布而成。石墨烯因具有眾多獨一無二的特性,深受專家學(xué)者的熱切關(guān)注,被認(rèn)為是劃時代的新型材料。石墨烯在紅外波段的電磁特性類似于金屬,能夠支持表面等離激元的傳播,表面等離激元可以突破固有衍射極限,實現(xiàn)超高分辨率的光學(xué)成像及超高精度的光刻技術(shù)。石墨烯相比于傳統(tǒng)的貴金屬表面等離激元材料,可以獲得更小的傳輸損耗,實現(xiàn)更長的傳播長度,同時對傳輸模式電磁場有更強的束縛能力。利用石墨烯的表面電導(dǎo)可調(diào)諧性,石墨烯表面等離激元能夠超越光電器件的幾何結(jié)構(gòu)限制,實現(xiàn)偏置電壓對器件電磁響應(yīng)的調(diào)節(jié)功能,擴展石墨烯器件的應(yīng)用范圍。本文提出了多種新型石墨烯光器件,并通過幾何建模和數(shù)值仿真對其進(jìn)行理論研究和性能分析。論文的主要研究成果以及創(chuàng)新點簡述如下:1.提出了一種石墨烯多層納米線波導(dǎo),此波導(dǎo)由石墨烯和介質(zhì)層相互包裹構(gòu)成,具有超高的模式有效折射率,對光場具有很強的束縛作用,能夠很好地控制表面等離激元在波導(dǎo)內(nèi)部傳輸。石墨烯多層納米線波導(dǎo)支持多個無截止的傳輸模式,可以在小體積下依然實現(xiàn)多模傳輸,有利于應(yīng)用在傳感領(lǐng)域。通過調(diào)節(jié)石墨烯費米能級可以改變波導(dǎo)的傳輸模式特性,實現(xiàn)石墨烯波導(dǎo)突破結(jié)構(gòu)限制的可調(diào)諧性。2.提出了一種小有效模場面積的石墨烯方形波導(dǎo),此波導(dǎo)幾何尺寸在微納量級,很適合應(yīng)用在高集成度的光芯片中。當(dāng)石墨烯方形波導(dǎo)工作頻率大于20.8 THz時,波導(dǎo)中表面等離激元的傳播長度優(yōu)于同尺寸的納米線波導(dǎo),同時歸一化有效模場面積大小在10-5量級,比納米線波導(dǎo)歸一化有效模場面積小2個數(shù)量級。3.提出了一種基于石墨烯納米帶陣列和石墨烯薄片的單頻帶石墨烯吸收器,其吸收率極高且結(jié)構(gòu)簡單。通過數(shù)值仿真,在吸收譜中頻率為10.9 THz處,可以得到一個近乎完美的吸收峰,吸收率可達(dá)99.5%。通過調(diào)整單頻帶石墨烯吸收器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),對吸收器的性能進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。根據(jù)性能分析結(jié)果優(yōu)化吸收器的結(jié)構(gòu)參數(shù),將吸收器的吸收峰調(diào)整到了太赫茲波段,在頻率為6.15 THz時獲得了吸收率為99.9%的吸收峰。另外,使用偏置電壓可以實現(xiàn)對單頻帶石墨烯吸收器吸收峰的調(diào)節(jié)功能,證明了單頻帶石墨烯吸收器能夠適用于多種應(yīng)用環(huán)境。4.提出了一種新型的雙頻帶石墨烯吸收器,吸收器兩個吸收峰的頻率分別為4.95 THz和9.2 THz,兩個吸收峰的峰值分別高達(dá)99.8%和99.6%。深入分析了雙頻帶石墨烯吸收器結(jié)構(gòu)參數(shù)和吸收性能之間的關(guān)系,進(jìn)一步討論了入射角度偏差對雙頻帶石墨烯吸收器吸收效率的影響,驗證了該吸收器具有很好的入射角度偏差容忍性。5.提出了一種石墨烯雙層波導(dǎo)對場增強器,利用石墨烯雙層波導(dǎo)之間的耦合原理,將場增強器中傳輸?shù)谋砻娴入x激元能量集中在兩個雙層波導(dǎo)之間極小的狹縫中,實現(xiàn)了區(qū)域的場增強效應(yīng)。石墨烯雙層波導(dǎo)對場增強器的場增強因子可以達(dá)到108,比之前報道的單層石墨烯波導(dǎo)對場增強器的場增強因子107大一個數(shù)量級,同時將其與金屬的雙層波導(dǎo)對進(jìn)行對比,證實了石墨烯雙層波導(dǎo)對的場增強效果明顯優(yōu)于金屬雙層波導(dǎo)對。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TQ127.11;TN256
【部分圖文】：

石墨烯是碳原子以蜂巢狀排列構(gòu)成（左上），石墨是由石墨烯堆疊形由石墨烯卷曲成柱狀形成（左下），富勒烯（Ｃ６0）是由六邊形晶格的五邊形構(gòu)型包覆形成的分子結(jié)構(gòu)（右下）［２３１。逡逑１－２邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋（ｔｏｐ邋ｌｅｆｔ）邋ｉｓ邋ａ邋ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ邋ｌａｔｔｉｃｅ邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｎ邋ａｔｏｍｓ．邋Ｇｒａｐｈｉｔｅ邋（ｔ邋ａｓ邋ａ邋ｓｔａｃｋ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｌａｙｅｒｓ．邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｌｅｆｔ）邋ａｒｅ邋ｒｏｌｌｅｄ－ｕｐ邋ｃｅｎｅ．邋Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｒｉｇｈｔ）邋ａｒｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ邋ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ｗｒａｐｐｅｄ邋ｇｒａｐｈｅｎｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｎｔａｇｏｎｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｈｅｘａｇｏｎａｌ邋ｌａｔｔｉｃｅ１２邋’】．逡逑在光學(xué)響應(yīng)方面也具有獨特特性，石墨烯的光學(xué)特性可以。２００８年Ｆ．邋Ｗａｎｇ等人發(fā)現(xiàn)石墨烯具有很強的帶間躍遷［２４］，大幅調(diào)整石墨烯的光躍遷。由于傳統(tǒng)金屬晶體結(jié)構(gòu)的原因，能夠提供可調(diào)性。石墨烯可以通過偏置電壓實現(xiàn)帶隙調(diào)節(jié)，了設(shè)計和優(yōu)化器件所需的靈活性。２００９年Ｙ．邋Ｚｈａｎｇ等人使用石墨烯電子帶隙寬范圍可調(diào)節(jié)的實驗［２５］，使用偏置電壓可以范圍高達(dá)２５０邋ｍｅＶ。石墨烯的光躍遷和雙層石墨烯的層間依通過偏置電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種可調(diào)節(jié)特性會在紅外光學(xué)和光

＇？蠢■■逡逑圖１－２石墨烯是碳原子以蜂巢狀排列構(gòu)成（左上），石墨是由石墨烯堆疊形成（右上），逡逑碳納米管是由石墨烯卷曲成柱狀形成（左下），富勒烯（Ｃ６0）是由六邊形晶格的石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)殄义衔暹呅螛?gòu)型包覆形成的分子結(jié)構(gòu)（右下）［２３１。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋（ｔｏｐ邋ｌｅｆｔ）邋ｉｓ邋ａ邋ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ邋ｌａｔｔｉｃｅ邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｎ邋ａｔｏｍｓ．邋Ｇｒａｐｈｉｔｅ邋（ｔｏｐ邋ｒｉｇｈｔ）邋ｃａｎ逡逑ｂｅ邋ｖｉｅｗｅｄ邋ａｓ邋ａ邋ｓｔａｃｋ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｌａｙｅｒｓ．邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｌｅｆｔ）邋ａｒｅ邋ｒｏｌｌｅｄ－ｕｐ邋ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ邋ｏｆ逡逑ｇｒａｐｈｅｎｅ．邋Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｒｉｇｈｔ）邋ａｒｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ邋ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ｗｒａｐｐｅｄ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｂｙ邋ｔｈｅ逡逑ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｎｔａｇｏｎｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｈｅｘａｇｏｎａｌ邋ｌａｔｔｉｃｅ１２邋’】．逡逑石墨烯在光學(xué)響應(yīng)方面也具有獨特特性，石墨烯的光學(xué)特性可以通過偏置電逡逑壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。２００８年Ｆ．邋Ｗａｎｇ等人發(fā)現(xiàn)石墨烯具有很強的帶間躍遷［２４］，通過偏置逡逑電壓可以大幅調(diào)整石墨烯的光躍遷。由于傳統(tǒng)金屬晶體結(jié)構(gòu)的原因，其帶隙是固逡逑定的，不能夠提供可調(diào)性。石墨烯可以通過偏置電壓實現(xiàn)帶隙調(diào)節(jié)，這一特性極逡逑大地滿足了設(shè)計和優(yōu)化器件所需的靈活性。２００９年Ｙ．邋Ｚｈａｎｇ等人使用偏置電壓實逡逑現(xiàn)了雙層石墨烯電子帶隙寬范圍可調(diào)節(jié)的實驗［２５］

＇？蠢■■逡逑圖１－２石墨烯是碳原子以蜂巢狀排列構(gòu)成（左上），石墨是由石墨烯堆疊形成（右上），逡逑碳納米管是由石墨烯卷曲成柱狀形成（左下），富勒烯（Ｃ６0）是由六邊形晶格的石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)殄义衔暹呅螛?gòu)型包覆形成的分子結(jié)構(gòu)（右下）［２３１。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋（ｔｏｐ邋ｌｅｆｔ）邋ｉｓ邋ａ邋ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ邋ｌａｔｔｉｃｅ邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｎ邋ａｔｏｍｓ．邋Ｇｒａｐｈｉｔｅ邋（ｔｏｐ邋ｒｉｇｈｔ）邋ｃａｎ逡逑ｂｅ邋ｖｉｅｗｅｄ邋ａｓ邋ａ邋ｓｔａｃｋ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｌａｙｅｒｓ．邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｌｅｆｔ）邋ａｒｅ邋ｒｏｌｌｅｄ－ｕｐ邋ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ邋ｏｆ逡逑ｇｒａｐｈｅｎｅ．邋Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｒｉｇｈｔ）邋ａｒｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ邋ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ｗｒａｐｐｅｄ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｂｙ邋ｔｈｅ逡逑ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｎｔａｇｏｎｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｈｅｘａｇｏｎａｌ邋ｌａｔｔｉｃｅ１２邋’】．逡逑石墨烯在光學(xué)響應(yīng)方面也具有獨特特性，石墨烯的光學(xué)特性可以通過偏置電逡逑壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。２００８年Ｆ．邋Ｗａｎｇ等人發(fā)現(xiàn)石墨烯具有很強的帶間躍遷［２４］，通過偏置逡逑電壓可以大幅調(diào)整石墨烯的光躍遷。由于傳統(tǒng)金屬晶體結(jié)構(gòu)的原因，其帶隙是固逡逑定的，不能夠提供可調(diào)性。石墨烯可以通過偏置電壓實現(xiàn)帶隙調(diào)節(jié)，這一特性極逡逑大地滿足了設(shè)計和優(yōu)化器件所需的靈活性。２００９年Ｙ．邋Ｚｈａｎｇ等人使用偏置電壓實逡逑現(xiàn)了雙層石墨烯電子帶隙寬范圍可調(diào)節(jié)的實驗［２５］

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本文編號：2830137