【摘要】：新型二維材料石墨烯擁有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì),使其在光電子領(lǐng)域應(yīng)用中備受矚目。然而單層石墨烯材料2.3%的吸收率是限制其光電器件響應(yīng)度及應(yīng)用的主要因素之一。目前已有的陷光結(jié)構(gòu),如表面等離子微納結(jié)構(gòu)、微腔結(jié)構(gòu)及超材料,能夠有效提高石墨烯吸收率及光電響應(yīng)度,但大多伴有金屬吸收損耗或復(fù)雜的制作工藝。本文將針對(duì)石墨烯吸收率低的問(wèn)題提出新的光子學(xué)解決方案,通過(guò)調(diào)控光學(xué)表面波實(shí)現(xiàn)單層石墨烯完美光吸收,并將其應(yīng)用于折射率傳感,本論文主要工作概括如下:1、首先介紹了本研究中運(yùn)用的理論計(jì)算方法:傳輸矩陣法與導(dǎo)納圖法(包括電磁場(chǎng)計(jì)算方法、導(dǎo)納圖運(yùn)算方法、導(dǎo)納軌跡方程、等效相位厚度等高線方程、反射相位等高線方程以及等反射率圓方程),并根據(jù)磁場(chǎng)平行分量邊界條件,將石墨烯材料視為理想的無(wú)厚度二維材料引入傳輸矩陣計(jì)算中。隨后求解了半無(wú)限大平面界面模型激發(fā)表面電磁波的條件與光子晶體能帶結(jié)構(gòu)。最后,在前人的研究基礎(chǔ)上,通過(guò)導(dǎo)納圖及虛擬諧振腔模型探索半無(wú)限光子晶體的布洛赫表面波(BSW)激發(fā)與ESW起源,推導(dǎo)ESW激發(fā)的導(dǎo)納匹配條件,為后續(xù)研究建立理論基礎(chǔ)。2、結(jié)合二維材料與BSW,將石墨烯置于7層介質(zhì)薄膜與耦合棱鏡構(gòu)成的BSW器件表面,通過(guò)表面附近電場(chǎng)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了單層石墨烯(~0.34 nm)在1310 nm處的完美吸收。該器件采用介質(zhì)薄膜構(gòu)成一維平面系統(tǒng),即能降低器件制作的復(fù)雜度與成本,同時(shí)又避免了金屬吸收損耗。根據(jù)BSW激發(fā)以及實(shí)現(xiàn)零反射率的兩個(gè)導(dǎo)納匹配條件,本研究提出正向與反向計(jì)算的導(dǎo)納圖,并得到適用于表面波-石墨烯完美吸收器的導(dǎo)納匹配條件和器件設(shè)計(jì)方法,該方法避免了繁瑣的掃描過(guò)程,可任意選擇石墨烯完美吸收器的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為未知變量,能快速實(shí)現(xiàn)完美吸收。另外,通過(guò)各結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料參數(shù)對(duì)石墨烯吸收率的影響,借助虛擬腔勢(shì)壘模型及導(dǎo)納圖,進(jìn)一步探索了BSW-石墨烯完美吸收器的工作原理。最后,應(yīng)用上述結(jié)論,突破結(jié)構(gòu)周期限制,利用非周期介質(zhì)膜系激發(fā)類(lèi)似于BSW的表面電磁波,并實(shí)現(xiàn)了石墨烯完美吸收。3、鑒于BSW的電場(chǎng)局域增強(qiáng)特性及石墨烯在生物傳感方面的優(yōu)勢(shì),本研究將BSW-石墨烯完美吸收器應(yīng)用于折射率傳感,分別計(jì)算了其角度及波長(zhǎng)傳感性能。隨后,結(jié)合一階微擾理論分析入射條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)及吸收損耗對(duì)電場(chǎng)分布及波長(zhǎng)傳感性能的影響。通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證了石墨烯-BSW器件的高傳感性能,其波長(zhǎng)傳感靈敏度及品質(zhì)因數(shù)可達(dá)7023 nm/RIU及196.44。BSW器件的吸收損耗對(duì)器件設(shè)計(jì)、反射譜形狀及傳感性能有較大影響,低吸收損耗器件可實(shí)現(xiàn)高電場(chǎng)增強(qiáng),但同時(shí)也將增加光子晶體周期對(duì)數(shù)及器件的制作難度。本文提出的基于ESW的石墨烯完美吸收器通過(guò)電場(chǎng)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)完美吸收,相比于基于SPP的陷光機(jī)制,有效降低了器件的制作難度,且更易于集成。平面純介質(zhì)表面波系統(tǒng)或?yàn)榈统杀竞透咝阅艿亩S器件應(yīng)用提供有價(jià)值的方案。另一方面,相比于高吸收損耗的金屬-BSW器件,石墨烯-BSW器件表現(xiàn)出更高的電場(chǎng)增強(qiáng)及傳感性能。通過(guò)調(diào)節(jié)吸收損耗實(shí)現(xiàn)BSW器件的強(qiáng)電場(chǎng)束縛/增強(qiáng),或?yàn)锽SW器件在非線性增強(qiáng)、熒光增強(qiáng)和傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用與設(shè)計(jì)提供參考。
【圖文】：

影響著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、軍事技術(shù)的提升以爾定律基本預(yù)言了集成電路中晶體管數(shù)程師 RobertDennard，在上世紀(jì)七十年加一倍，對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度也將提受漏電和發(fā)熱的影響，縮小到一定程度性能不斷接近極限，其發(fā)展速度也隨之從最初一年一次的集成度翻倍延長(zhǎng)至兩 nm，而到 2015 年制程縮短至 14 nm，本身的角度考慮，縮小器件體積也是極組成，利用其能帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)效應(yīng)。量級(jí)，若繼續(xù)減薄半導(dǎo)體材料的厚度，材硅基器件的發(fā)展已基本達(dá)到極限。

于表面波的石墨烯光吸收增強(qiáng) 第一章 緒關(guān)需要突破[15]。另一方面，石墨烯的超高載流子遷移率和獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)也為光電探測(cè)器和光制器等光電器件帶來(lái)了新的機(jī)遇。2009 年，夏豐年等人制出了世界上第一個(gè)石光電探測(cè)器，測(cè)得 0.5 mA/W 的響應(yīng)度，如圖 1.2(a)所示[25]。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光電在紅外波段的應(yīng)用受制于半導(dǎo)體材料的截止波長(zhǎng)，而石墨烯的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)使 300  2500 nm 具有平坦的吸收譜（吸收率約為 2.3%，由精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)定義）[11 年，基于夏豐年提出的結(jié)構(gòu)，Mueller 等人采用不對(duì)稱(chēng)多指交叉電極替代原先稱(chēng)電極(原理圖如圖 1.2(b)所示)，通過(guò)增加有效探測(cè)區(qū)域并打破電流的對(duì)稱(chēng)性提墨烯光電探測(cè)器的響應(yīng)度，，在 1.55 μm、外加偏壓下的響應(yīng)度可達(dá) 6.1 mA/W[26推測(cè)，石墨烯光電探測(cè)器至少能夠?qū)崿F(xiàn) 0.3 ~ 6 μm 的探測(cè)[27]。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11

【參考文獻(xiàn)】

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1 趙建紅;宋立媛;姬榮斌;項(xiàng)金鐘;唐利斌;;石墨烯在光電探測(cè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J];紅外技術(shù);2014年08期

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3 龍威;黃榮華;;石墨烯的化學(xué)奧秘及研究進(jìn)展[J];洛陽(yáng)理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李延輝;一維光子晶體表面波及其傳感應(yīng)用研究[D];山東大學(xué);2014年

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