【摘要】：被視為二十一世界超級材料的石墨烯,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、電學等諸多領(lǐng)域科學家的關(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,因而為實現(xiàn)光與物質(zhì)的強相互作用提供了不可替代的平臺。由于石墨烯上激發(fā)的表面等離激元擁有高度的動態(tài)可調(diào)性、極強的能量局域性、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、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,以及如何實現(xiàn)對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)通過機械振動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,同時還可以通過改變石墨烯的費米能來實現(xiàn)對所激發(fā)的表面等離激元的動態(tài)調(diào)控。此外,還對這一類型的光柵結(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)機理進行分析。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證和分析所激發(fā)的表面等離激元特性,推導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),以及石墨烯費米能和周圍介質(zhì)折射率電學相關(guān)參數(shù)來實現(xiàn)對表面等離激元的調(diào)控。最后對比分析了石墨烯納米帶和納米管對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。利用變換光學的思想解釋表面等離激元的激發(fā),并同模擬計算結(jié)果對比。論證通過介質(zhì)超表面的幾何參數(shù)來實現(xiàn)表面等離激元的調(diào)控。分析并對比將介質(zhì)超表面分別置于石墨烯之上和之下的情形對介質(zhì)傳感靈敏度的影響,發(fā)現(xiàn)介質(zhì)傳感區(qū)域電場強度越強,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】：

粒子性的認識基礎(chǔ)。而惠更斯提出的光的波動學說，后來很好的解釋了光的干和衍射現(xiàn)象，確立了公認的光的波動性。而現(xiàn)代光學根據(jù)量子場論得出的結(jié)論是光同時具有波粒二象性。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 年美國天文學家伍德（Wood）利用白熾燈連續(xù)照射一個周期光柵時，發(fā)現(xiàn)衍射圖樣在特定條件下會出現(xiàn)一些明暗條紋的奇特現(xiàn)象[4]，如圖 1所示。進一步研究發(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）光照射時才出現(xiàn)。當時，因為基于柵的電磁理論尚處于萌芽時期，對這一異�，F(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），它被視作二十世紀發(fā)現(xiàn)的最人驚嘆的光學現(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”所產(chǎn)生。換句話講法諾認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)代光對于伍德異常解釋的新篇章。這一理論解釋也被很多物理學家，比如 Hessel Oliner 等所認同[12]。同時，Pines 和 Bohm 通過總結(jié)分析高速電子通過薄片時能量損耗機理，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 等的實驗結(jié)果所證實[16]�；谇叭说墓ぷ�，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，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]。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O613.71

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