【摘要】：石墨烯是一種獨(dú)特的二維原子晶體,它是由單一原子層或幾個(gè)原子層構(gòu)成的超薄晶體。由于其優(yōu)異的電子和光學(xué)性能,在未來的高科技領(lǐng)域,尤其是光子和光電器件中,有許多潛在的應(yīng)用價(jià)值。自2004年問世以來,石墨烯已成為最典型和最具有代表性的新型納米材料之一,并在全球范圍內(nèi)引發(fā)了研究石墨烯的熱潮。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的精確重疊是石墨烯的一個(gè)顯著特征。石墨烯的價(jià)帶和導(dǎo)帶相交于費(fèi)米能級(jí)處,即形成所謂的狄拉克錐結(jié)構(gòu)。它是能隙為零的半導(dǎo)體,為目前已發(fā)現(xiàn)電阻率最小的材料。其接近量子極限的最小電導(dǎo)率為觀察異常量子霍爾效應(yīng)提供了可能性。同時(shí),它的光反射率、透射率和吸收率由精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)確定。極小的吸收率使得它在近紅外到可見光的光譜范圍內(nèi)幾乎透明。當(dāng)一束空間受限的線偏振光在兩種不同介質(zhì)界面發(fā)生反射與折射時(shí),不同偏振態(tài)的光子沿垂直于折射率梯度的相反方向發(fā)生偏移,導(dǎo)致光束分裂為兩束具有不同偏振態(tài)的分量。平行和垂直于入射平面的位移分別稱為古斯-漢森位移和光子自旋霍爾效應(yīng)位移。由于古斯-漢森位移和光子自旋霍爾效應(yīng)位移的本征態(tài)不同,研究石墨烯表面的光束位移,可以探究偏振態(tài)對(duì)光束位移的影響并加深對(duì)光的自旋-軌道相互作用的理解。同時(shí),古斯-漢森位移和光子自旋霍爾效應(yīng)位移對(duì)石墨烯的光學(xué)常數(shù)異常敏感,尤其是在布儒斯特角附近。這為表征石墨烯的物理和光學(xué)特性提供著一種簡(jiǎn)單有效的替代方案。本論文首先研究光束位移的內(nèi)在物理機(jī)制,進(jìn)而通過光束位移來表征石墨烯的光學(xué)常數(shù)與物理厚度。最后,系統(tǒng)研究了不同模型中石墨烯的光束位移。相關(guān)的研究工作具體如下:1.利用弱測(cè)量技術(shù)觀測(cè)了全內(nèi)反射中的微小偏振旋轉(zhuǎn)率。當(dāng)一束偏振光經(jīng)過介質(zhì)表面發(fā)生反射時(shí),光的偏振態(tài)會(huì)發(fā)生微小的旋轉(zhuǎn),這種偏振旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致了幾何相位的出現(xiàn)并產(chǎn)生了光子自旋霍爾效應(yīng)。在部分反射中,偏振旋轉(zhuǎn)只出現(xiàn)在動(dòng)量空間中,動(dòng)量空間中的偏振旋轉(zhuǎn)引起位置空間的自旋分裂。而在全反射中,動(dòng)量空間和位置空間中都出現(xiàn)了偏振旋轉(zhuǎn)。動(dòng)量空間中的偏振旋轉(zhuǎn)引起位置空間的自旋分裂(空間位移),同時(shí),位置空間中的偏振旋轉(zhuǎn)引起動(dòng)量空間的自旋分裂(角位移)。由于產(chǎn)生的偏振旋轉(zhuǎn)率非常小,我們利用量子弱測(cè)量技術(shù)來對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。在部分反射的情況下,我們只需要通過弱值放大將動(dòng)量空間中的偏振旋轉(zhuǎn)放大觀察。而在全反射的情況下,我們分別放大動(dòng)量空間和位置空間的偏振旋轉(zhuǎn),從而觀測(cè)全內(nèi)反射中的微小偏振旋轉(zhuǎn)率。通過研究全內(nèi)反射中的微小偏振旋轉(zhuǎn)率,我們能更好地理解光子自旋霍爾效應(yīng)和光的自旋-軌道耦合相互作用。2.精確測(cè)量空氣-棱鏡界面上的石墨烯層數(shù)。當(dāng)一束偏振態(tài)為H偏振的空間光經(jīng)過介質(zhì)表面反射后,反射光會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱的雙峰結(jié)構(gòu)。這是由于入射光中心波矢附近的偏振分量滿足布儒斯特定律,從而引起了光束發(fā)散。由于這種光束發(fā)散效應(yīng)與贗布儒斯特角密切相關(guān),我們可以通過它來表征石墨烯的光學(xué)常數(shù)。同時(shí),我們發(fā)現(xiàn),隨著石墨烯層數(shù)的增加,它的贗布儒斯特角也隨之近似線性增加。因此,贗布儒斯特角就像石墨烯的身份證號(hào)碼一樣,把不同層數(shù)的石墨烯區(qū)分出來。由于會(huì)產(chǎn)生交叉偏振效應(yīng),當(dāng)一束H偏振的空間光經(jīng)過介質(zhì)表面反射時(shí),反射偏振光中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)微小的V偏振光并干擾雙峰結(jié)構(gòu)。通過格蘭激光偏振器過濾掉交叉偏振分量,就能清楚地觀察到,雙峰結(jié)構(gòu)在贗布儒斯特角出現(xiàn)并在附近迅速消失。值得注意的是,不同層數(shù)的石墨烯中,雙峰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在不同的入射角。本方案為識(shí)別石墨烯層數(shù)提供了一種簡(jiǎn)單而有效的方法,對(duì)今后石墨烯的研究具有重要意義。3.對(duì)比研究“零厚度模型”與“板模型”中石墨烯的光束位移。在一般情況下,我們研究石墨烯的光學(xué)性質(zhì)時(shí),將其看成是一塊具有有效厚度的均勻平板,即“板模型”。但它沒有很好地解釋反射光的吸收率和相位演變。因此,通過石墨烯的表面電極化率和表面電導(dǎo)率來表征石墨烯的菲涅爾系數(shù)被提了出來,并成功模擬絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中的線性光學(xué)性質(zhì)。我們通過研究?jī)煞N不同模型中的光束位移,探究了表面電極化率和表面電導(dǎo)率在光束位移中所扮演的角色。我們發(fā)現(xiàn),表面電極化率和表面電導(dǎo)率一起決定了古斯-漢森位移的空間位移�？臻g位移的方向取決于表面電極化率,大小取決于表面電導(dǎo)率。不同的是,古斯-漢森位移的角位移只與表面電極化率相關(guān)。在光子自旋霍爾效應(yīng)中恰恰相反,空間位移只與表面電極化率相關(guān),而角位移與表面電極化率和表面電導(dǎo)率都相關(guān)。此外,我們發(fā)現(xiàn)兩種模型的本質(zhì)區(qū)別在于,“板模型”沒有很好地反映石墨烯中表面電極化率的作用。但是,這并不表示不考慮表面電極化率的作用后,兩種模型能夠很好地吻合。
【圖文】：

博士學(xué)位論文第 1 章 緒 論1.1 研究背景及意義關(guān)于二維材料是否真的存在，科學(xué)界一直有爭(zhēng)論。早在 1934 年，Landau 和eierls 就提出準(zhǔn)二維晶體材料由于其本身的熱力學(xué)不穩(wěn)定性,在室溫環(huán)境下會(huì)速分解。后來，Mermin 和 Wagner 在理論上進(jìn)一步證明嚴(yán)格的二維材料是不存的，并在科學(xué)界得到了廣泛認(rèn)可。直到 2004 年，來自曼徹斯特大學(xué)的 Geim 和ovoselov 兩位科學(xué)家利用微機(jī)械剝離法首次成功分離出穩(wěn)定的石墨烯[1]，二維料才再次進(jìn)入人們的視野。后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些其他的二維材料，如氮化硼B(yǎng)N）、二硫化鉬（MoS2）。

墨烯也是人類至今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、最強(qiáng)韌的材料[2]，單層石墨烯厚度大約 0.34米，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。單層原子結(jié)構(gòu)使石墨烯幾乎呈透明狀態(tài)，光的吸收率僅有 2. 3%，極小的吸收率使得它在近紅外到可見光的光譜范圍內(nèi)乎透明。石墨烯正六邊形網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的晶格使其具有很少的缺陷和雜質(zhì)。電子傳輸數(shù)千原子間距而不散射，而且可避免材料過熱，這使得電子在石墨烯中運(yùn)阻力很小，速度遠(yuǎn)超過金屬和半導(dǎo)體[3]。石墨烯中傳輸電流的速度達(dá)到了光速三百分之一，，比計(jì)算機(jī)芯片中的硅還要快 100 倍，因而石墨烯晶體管可以比傳硅工作更快，尺寸更小。同時(shí)，石墨烯的電導(dǎo)率接近量子極限值。對(duì)于其它材而言，低的電導(dǎo)率在低溫下不可避免地導(dǎo)致金屬絕緣，但是這種現(xiàn)象在石墨烯卻沒有出現(xiàn)。這為觀察異常量子霍爾效應(yīng)提供了可能性[4]。石墨烯的價(jià)帶和導(dǎo)相交于費(fèi)米能級(jí)處，形成所謂的狄拉克錐結(jié)構(gòu)。兩個(gè)錐點(diǎn)即狄拉克點(diǎn)，這些點(diǎn)電子各向同性分布。因此，可視石墨烯為半金屬或零帶隙的半導(dǎo)體。在狄拉克附近，電子能量與波矢成線性關(guān)系。由于這些優(yōu)越的特性，石墨烯已經(jīng)廣泛運(yùn)于物理、化學(xué)、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域。
【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)：2676357