發(fā)布時間：2020-03-25 10:00

【摘要】：石墨烯(Graphene)自2004年被發(fā)現(xiàn)以來,其新奇的機械、熱學和電磁學性能,已吸引了眾多研究課題組廣泛的研究熱情。石墨烯波導、寬帶偏振器、石墨烯調制器、石墨烯光電探測器等一大批基于石墨烯新穎光學特性的微納光電子器件被文獻資料大量報道。然而對于單層大片本征石墨烯,其一個碳原子層厚度的光吸收效率只有2.3%,這極大的限制了石墨烯在微納光子學領域的應用。為了克服石墨烯中光-物質相互作用弱這一固有缺陷,最近,石墨烯等離激元研究飛速發(fā)展,在提升石墨烯光-物質相互作用上有了突破。與貴金屬等離激元的高熱損耗和不可動態(tài)調控性相比,石墨烯等離激元的深度亞波長局域性、外加門電壓的動態(tài)可調諧性和較低的熱損耗特性更加吸引著研究者們的關注熱情。除此之外,石墨烯等離激元響應在中紅外和遠紅外波段,這同時開啟了紅外光電探測器、紅外增強吸收器等紅外光子器件的研究熱潮。在本論文中,我們首先詳細論述了石墨烯等離激元性質,包括其特殊的色散關系、局域和傳播特性、等離激元雜化特性、等離激元壽命和耗散通道�；谑┑入x激元人工微結構,堆疊石墨烯納米帶的等離激元共振光譜響應將首先介紹,一種實際有效的動態(tài)可重構雙頻帶反射式聚焦透鏡被提出。接下來,一種新穎的動態(tài)電調控電磁誘導超構材料也被詳細研究,超構材料由上層的金開口環(huán)陣列和下層的石墨烯方塊振子組成。最后,在開口環(huán)-石墨烯近場耦合研究的基礎上,一種工作在中紅外波段動態(tài)可調的手性超構材料也被論述。全篇論文主要由以下三部分構成:1、理論上研究了層狀堆疊石墨烯納米帶構成的石墨烯超構表面的光學性質和在紅外波段潛在的多功能光學器件應用。通過調控石墨烯納米帶寬度,得到了相應的等離激元光譜響應。反射光的相位可以被調整到接近于2π,同時在目標頻率保持較高的反射率。利用石墨烯在非等離激元共振時光-物質相互作用較弱這一特性,在堆疊多層石墨烯納米的同時實現(xiàn)了獨立調控每一層微結構的光譜響應。鑒于石墨烯納米帶的層間耦合效應很弱,一個傳輸線非耦合模型被用來對整個超構表面的物理機理進行解釋。模型計算結果和數(shù)值計算結果非常吻合。作為一個器件應用案例,能同時工作在25和16 THz的雙頻帶石墨烯超構表面反射式聚焦透鏡也被設計和提出。2、設計并提出了一種新穎的石墨烯納米片和金屬開口環(huán)陣列構成的雜化超構材料,實現(xiàn)了中紅外波段對電磁誘導透明現(xiàn)象進行主動調控的功能。高品質因子的石墨烯共振和較低品質因子的開口環(huán)共振發(fā)生近場耦合雜化,在光譜較寬的吸收谷中產生了一個狹窄的透射峰,整個結構的相位突變和表面電荷分布對這一現(xiàn)象進行了詮釋。狹窄透射峰的屬性除了明顯依賴于結構的幾何尺寸和周圍環(huán)境的折射率之外,在不改變器件的幾何結構的前提下,通過電學調控石墨烯的費米能級可以動態(tài)改變器件的光譜響應。3、設計并提出了一種基于石墨烯-金屬開口環(huán)雜化近場耦合效應的新型手性超構材料。高的二向色性信號響應產生于強的近場耦合產生的電磁誘導透明現(xiàn)象。為了清晰明確的闡述二向色性增強效應背后的物理機理,耦合模式理論被用來分析超構材料的光譜響應,理論計算結果和數(shù)值計算結果吻合的非常好。對二向色性效應的主動調控可以通過加入門電壓調節(jié)石墨烯的費米能級,也可以通過調節(jié)幾何結構參數(shù)和周圍介電環(huán)境實現(xiàn)。在6到10 μm這一感興趣的波長范圍內,二向色性信號值能夠始終保持大于10%。除了較強的調控能力外,獲得的二向色性信號值比目前文獻中報道的基于純粹石墨烯構建的手性結構提高了約一個數(shù)量級。以上基于石墨烯動態(tài)可調等離激元的工作為設計多頻帶、多功能超構表面、慢光光子器件和可重構手性超構器件提供了一個指導性的設計思路。除此之外,超構材料在電磁誘導透明透射窗口波段內同時具有的低損耗和大的群折射率性質,使得上述工作在光束調控、生物探測、信息傳輸和信息工程、光學通信工程等領域有著潛在應用。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O613.71

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 劉洋洋;顧寶珊;鄭艷銀;梁東明;楊培燕;張啟富;;氧化石墨烯可見光催化能力的影響因素[J];材料科學與工藝;年期

2 陳晶晶;林強;李保震;王成鑫;;壓深導致的多層石墨烯超滑失效及其影響因素分析[J];摩擦學學報;年期

3 張文濤;唐安琪;張玉婷;占平平;;類石墨烯的光場調控特性研究[J];激光與光電子學進展;年期

4 夏愛清;邢翠娟;王彥娜;喬衛(wèi)葉;趙哲;;卟啉-氧化石墨烯類復合材料的研究進展[J];化學與生物工程;年期

5 李哲;曹留p，

本文編號：2599759