作為一種人工周期結(jié)構(gòu)材料的光子晶體,近年來(lái)在多種光電器件中得到有效應(yīng)用;具有獨(dú)特光電特性且只有單原子厚度的二維材料石墨烯,正成為當(dāng)前眾多學(xué)科的研究熱點(diǎn)。將光子晶體與石墨烯復(fù)合應(yīng)用,所設(shè)計(jì)的光電器件將同時(shí)具有二者的優(yōu)良屬性,如智能的光電調(diào)控、波段甚窄或甚寬的光電響應(yīng)等。本文研究設(shè)計(jì)了光子晶體結(jié)構(gòu)的吸波、光電調(diào)控、濾波等多種太赫茲石墨烯器件,仿真分析了器件的光電響應(yīng)特性和性能。主要研究?jī)?nèi)容如下:1.基于修正的傳輸矩陣法對(duì)一維石墨烯光子晶體進(jìn)行了仿真研究,在分析了石墨烯化學(xué)勢(shì)、電磁波入射角度以及介質(zhì)板調(diào)節(jié)因子對(duì)系統(tǒng)傳輸率和吸收率的影響基礎(chǔ)上,采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)和合成超單元的方法,研究設(shè)計(jì)了可調(diào)諧濾波器、多頻開(kāi)關(guān)、高Q濾波器以及多阻濾波器。并進(jìn)一步構(gòu)造了一維Fibonacci序列石墨烯準(zhǔn)光子晶體,設(shè)計(jì)了采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高Q濾波器、改變周期結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧光電開(kāi)關(guān)、采用超單元結(jié)構(gòu)的多阻濾波器和利用活性材料的放大器。2.對(duì)在Fabry-Perot(FP)諧振腔的頂部鏡子中嵌入單層石墨烯實(shí)現(xiàn)近1吸收進(jìn)行了研究。揭示了增加諧振腔數(shù)目可有效增加吸收模式數(shù)目并同時(shí)靈活可控模式間峰-峰距的現(xiàn)象與規(guī)律。設(shè)計(jì)了利用含有兩個(gè)石墨烯單層的FP諧振腔后串聯(lián)多個(gè)空腔的的石墨烯多模吸波體。這種吸波體可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式,當(dāng)只有石墨烯腔時(shí),可以激發(fā)兩個(gè)近1吸收模式;當(dāng)其后串聯(lián)一個(gè)空腔時(shí),可以激發(fā)三個(gè)近1吸收模式;而當(dāng)串聯(lián)兩個(gè)空腔時(shí),可以激發(fā)四個(gè)近1吸收模式。論文進(jìn)一步研究了不同吸收模式對(duì)石墨烯層、石墨烯化學(xué)勢(shì)、諧振腔幾何尺寸、反射鏡周期數(shù)、入射波極化方式以及入射角度等響應(yīng)關(guān)系和規(guī)律。3.用石墨烯介質(zhì)堆棧代替了石墨烯單層,研究提高石墨烯調(diào)控亞波長(zhǎng)光柵Fano共振的能力。揭示了石墨烯電導(dǎo)率的改變對(duì)堆棧等效介電常數(shù)的影響規(guī)律,從而建立了有效提高石墨烯調(diào)諧性能的方法。調(diào)節(jié)非對(duì)稱的傳輸譜,實(shí)現(xiàn)了光開(kāi)關(guān)功能。利用Fano共振引起的近場(chǎng)局域設(shè)計(jì)了可調(diào)諧吸波體,以及通過(guò)聯(lián)合調(diào)節(jié)石墨烯化學(xué)勢(shì)和入射波角度設(shè)計(jì)了衰減器/調(diào)制器。4.對(duì)FP-Fano共振混合腔石墨烯吸波體進(jìn)行了研究。揭示了腔外石墨烯結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于:腔內(nèi)賦型對(duì)石墨烯沒(méi)有任何影響,而保持其原有的物理屬性。建立了FP諧振和Fano共振共存的設(shè)計(jì)方法。光柵厚度控制吸收模式數(shù)目;光柵周期制約FP諧振和Fano共振間的耦合;石墨烯兩端多層介質(zhì)周期數(shù)全面影響系統(tǒng)吸收響應(yīng)。5.將臨界耦合理論應(yīng)用于石墨烯完美吸波體設(shè)計(jì)中。首先,通過(guò)構(gòu)造石墨烯光子晶體陣列實(shí)現(xiàn)了FP諧振和Fano共振的雙激勵(lì),設(shè)計(jì)了雙模吸波體。揭示了完美吸收的本質(zhì)在于臨界耦合。研究了石墨烯化學(xué)勢(shì)、等效光柵厚度以及入射光角度對(duì)模式耦合的影響。其次,通過(guò)石墨烯腔和空腔的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)了FP-FP諧振或FP-Fano共振的激勵(lì),設(shè)計(jì)了雙模吸波體。進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了完美吸收的本質(zhì),提出了模式耦合的方法。利用微擾理論解釋了石墨烯對(duì)不同腔模獨(dú)立調(diào)控的原因。通過(guò)本文的研究,充分展示出石墨烯—光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。提出的方法在更高的光波段同樣適用,為高性能光通信器件的設(shè)計(jì)提供了全新的思路。
【學(xué)位單位】：國(guó)防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11;TN36
【部分圖文】：

化 C 原子形成的六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)拓展的特征常數(shù)，比如：電子遷移率高達(dá)1/300、熱導(dǎo)率為 5300Wm-1K-1、透明量為 1.0TPa 和斷裂強(qiáng)度為 125GPa 等直成為研究的熱點(diǎn)，涌現(xiàn)出大量的石波導(dǎo)[4]、場(chǎng)效應(yīng)管[5]、生物傳感器[6]、可見(jiàn)，人們正在嘗試將石墨烯這種神。能帶結(jié)構(gòu)得到單層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)[10, 11]。形式與其臨近的三個(gè)碳原子連接在軌道上的電子形成的。第四個(gè)共價(jià)鍵子的 2pz軌道發(fā)生重疊而產(chǎn)生離域的1.42 埃的原子，而石墨烯的晶格由兩示[13]。

圖 1.2 石墨烯能帶結(jié)構(gòu)近將式（1.1）展開(kāi)，求得能量和動(dòng)量之間的線( )FE k k K )；6 11 10 sF 。烯的光學(xué)性質(zhì)動(dòng)量間的線性關(guān)系，當(dāng)電子在石墨烯中傳輸時(shí)這種能帶關(guān)系也使石墨烯具有量子霍爾效應(yīng)和方面，石墨烯與光的相互作用主要有兩種方式換。而哪種方式占主導(dǎo)，取決于光子能量。在帶內(nèi)轉(zhuǎn)換占主導(dǎo)。而在紅外和可見(jiàn)光范圍內(nèi)，和太赫茲波段，石墨烯電子具有類似于金屬中子激元波。摻雜且版圖化的石墨烯能夠支持等波能力[18]。在近紅外和可見(jiàn)光范圍內(nèi)，光吸收由精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)決定[19]。這兩種轉(zhuǎn)換機(jī)制[20]。帶間轉(zhuǎn)換涉及導(dǎo)帶和價(jià)帶

（a） （b）圖 1.3 石墨烯吸收機(jī)制 （a）帶外轉(zhuǎn)換；（b）帶內(nèi)轉(zhuǎn)換當(dāng)入射光較弱時(shí)，石墨烯內(nèi)電子極化強(qiáng)度與外加電場(chǎng)呈線性關(guān)系；當(dāng)入射光強(qiáng)時(shí)，石墨烯則呈現(xiàn)出顯著的非線性特性，電子極化強(qiáng)度與外加場(chǎng)有非線性關(guān)。石墨烯的光學(xué)非線性基本上取決于其三階非線性系數(shù)，該系數(shù)依賴于單位體內(nèi)極化強(qiáng)度與外加電場(chǎng)三次方的比值[21]�；谑┑姆蔷�性效應(yīng)，觀察到了多有價(jià)值的現(xiàn)象，如：飽和吸收[22]、四波混頻[23]、雙光子吸收[24]、反飽和吸收]、光限幅[26]等。1.1.3 石墨烯的制備由于石墨烯的良好特性和巨大的應(yīng)用潛力，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者都在聚焦如何高量、高效率地制備石墨烯材料。目前，基本的制備方法包括：外延生長(zhǎng)法、化氣相淀積法、微機(jī)械剝離法、液相剝離法和氧化還原法[27]。1） 外延生長(zhǎng)法該方法通過(guò)加熱單晶 SiC，在超高真空或常壓下脫去 Si 而留下 C，這樣可得面積與原 SiC 薄片相當(dāng)?shù)氖⿲印?
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