【摘要】：被視為二十一世界超級(jí)材料的石墨烯,因其二維結(jié)構(gòu)特征和零帶隙的能帶結(jié)構(gòu),受到了光學(xué)、電學(xué)等諸多領(lǐng)域科學(xué)家的關(guān)注。摻雜后的石墨烯能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,允許表面等離激元的激發(fā)和傳播,因而為實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用提供了不可替代的平臺(tái)。由于石墨烯上激發(fā)的表面等離激元擁有高度的動(dòng)態(tài)可調(diào)性、極強(qiáng)的能量局域性、和中紅外波段的低損耗特性,被廣泛用于介質(zhì)生物傳感、非線性光學(xué)、慢光等。但是,由于石墨烯中表面等離激元波矢和入射光波矢嚴(yán)重不匹配,如何有效激發(fā)石墨烯表面等離激元一直是研究的熱點(diǎn)問題。本文將討論如何通過光柵結(jié)構(gòu)有效地激發(fā)石墨烯表面等離激元,以及如何實(shí)現(xiàn)對(duì)表面等離激元共振模式的調(diào)控。本文主要研究內(nèi)容如下:(1)通過機(jī)械振動(dòng)方式使石墨烯納米帶形成二維平面光柵結(jié)構(gòu)激發(fā)表面等離激元。這種二維光柵結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶允許垂直納米帶極化的入射光激發(fā)兩種新的模式:能夠?qū)⒛芰烤钟蛟诠鈻挪ǚ逦恢锰幍姆迥Ｊ?以及將能量局域在光柵波谷位置處的谷模式。我們通過仿真和理論分析的方式證明這兩種模式的的激發(fā)和可調(diào)性。最后證明這樣的二維納米帶光柵結(jié)構(gòu)能為將來實(shí)現(xiàn)寬工作頻域和高度可調(diào)性的石墨烯微納表面等離激元器件提供可能。(2)通過將石墨烯納米帶設(shè)計(jì)為正弦曲線彎曲的二維平面光柵結(jié)構(gòu),平行于納米帶極化的入射光能夠激發(fā)石墨烯表面等離激元。這樣的光柵結(jié)構(gòu)不僅允許我們通過設(shè)計(jì)不同的納米帶寬度和周期,正弦型光柵幅度和周期等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控表面等離激元,同時(shí)還可以通過改變石墨烯的費(fèi)米能來實(shí)現(xiàn)對(duì)所激發(fā)的表面等離激元的動(dòng)態(tài)調(diào)控。此外,還對(duì)這一類型的光柵結(jié)構(gòu)透射譜線所具有的高品質(zhì)因子的特性以及相關(guān)機(jī)理進(jìn)行分析。利用波矢匹配公式很好地解釋了模擬所得到的結(jié)果。論證此結(jié)構(gòu)可用于設(shè)計(jì)二維結(jié)構(gòu)的表面等離激元超窄帶濾波器,介質(zhì)傳感器等基于石墨烯表面等離激元的微納器件。(3)通過將石墨烯納米帶完全覆蓋于介質(zhì)納米線表面形成石墨烯納米管陣列來激發(fā)表面等離激元。通過數(shù)值模擬和理論方法驗(yàn)證和分析所激發(fā)的表面等離激元特性,推導(dǎo)具有一般普適性的表面等離激元共振頻率公式。論證納米管陣列結(jié)構(gòu)允許通過改變納米管半徑和周期幾何參數(shù),以及石墨烯費(fèi)米能和周圍介質(zhì)折射率電學(xué)相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)表面等離激元的調(diào)控。最后對(duì)比分析了石墨烯納米帶和納米管對(duì)于表面等離激元能量的不同局域方式以及原因。研究石墨烯納米管陣列在表面等離激元濾波器,介質(zhì)傳感器等光電器件中的潛在應(yīng)用。(4)通過將正弦型介質(zhì)超表面放置于石墨烯兩側(cè)來激發(fā)表面等離激元。利用變換光學(xué)的思想解釋表面等離激元的激發(fā),并同模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比。論證通過介質(zhì)超表面的幾何參數(shù)來實(shí)現(xiàn)表面等離激元的調(diào)控。分析并對(duì)比將介質(zhì)超表面分別置于石墨烯之上和之下的情形對(duì)介質(zhì)傳感靈敏度的影響,發(fā)現(xiàn)介質(zhì)傳感區(qū)域電場強(qiáng)度越強(qiáng),介質(zhì)傳感越靈敏。最后討論介質(zhì)超表面石墨烯光柵結(jié)構(gòu)用于高靈敏度的介質(zhì)傳感器的特性和可行性。
【圖文】：

粒子性的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)。而惠更斯提出的光的波動(dòng)學(xué)說，后來很好的解釋了光的干和衍射現(xiàn)象，確立了公認(rèn)的光的波動(dòng)性。而現(xiàn)代光學(xué)根據(jù)量子場論得出的結(jié)論是光同時(shí)具有波粒二象性。1.1.1 伍德異常隨著近現(xiàn)代加工和觀測技術(shù)的進(jìn)步，，在微納尺度領(lǐng)域出現(xiàn)了一些難以解釋現(xiàn)象。比如 1902 年美國天文學(xué)家伍德（Wood）利用白熾燈連續(xù)照射一個(gè)周期光柵時(shí)，發(fā)現(xiàn)衍射圖樣在特定條件下會(huì)出現(xiàn)一些明暗條紋的奇特現(xiàn)象[4]，如圖 1所示。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這種衍射只在 p 型偏振（即入射光電場分量的偏振方向行于入射光、反射光和法線共同決定的面）光照射時(shí)才出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，因?yàn)榛跂诺碾姶爬碚撋刑幱诿妊繒r(shí)期，對(duì)這一異常現(xiàn)象幾乎無法解釋。這一光的奇異射現(xiàn)象后來被稱為伍德異常（Wood’s anomalies），它被視作二十世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的最人驚嘆的光學(xué)現(xiàn)象之一[5]。

光波長的位置并非是在發(fā)生掠射的波長的位置[11]。法諾認(rèn)為這種異常衍射似乎光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一種與“消逝波”相關(guān)的“被脅迫的振動(dòng)”所產(chǎn)生。換句話講法諾認(rèn)為異常光衍射是由一種被光柵激發(fā)而沿著光柵表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ㄋ鸱ㄖZ所引入的“表面波”這一概念被視作理論上的一大突破，并且開啟了現(xiàn)代光對(duì)于伍德異常解釋的新篇章。這一理論解釋也被很多物理學(xué)家，比如 Hessel Oliner 等所認(rèn)同[12]。同時(shí)，Pines 和 Bohm 通過總結(jié)分析高速電子通過薄片時(shí)能量損耗機(jī)理，提出電子集體行為的概念來解釋[13,14]，并且發(fā)現(xiàn)這種集體行為振動(dòng)頻率可以表示為20 0 ne m ，其中，n 和 m 分別是電子密度和質(zhì)量，0 真空介電常數(shù)。這一共振頻率很快就被 Ritchie 的數(shù)值模擬結(jié)論[15]和 Powell 等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)[16]。基于前人的工作，在 1960 年，Stern 和 Ferrell 在研究材料表面相關(guān)的簡并電子氣體行為時(shí)，首次將這種金屬表面載流子的集體共振為命名為表面等離激元（SPs - surface plasmons）[17]。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O613.71

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本文編號(hào)：2657743