【摘要】：新型二維材料石墨烯擁有獨特的能帶結構及優(yōu)異的光學和電學性質,使其在光電子領域應用中備受矚目。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度及應用的主要因素之一。目前已有的陷光結構,如表面等離子微納結構、微腔結構及超材料,能夠有效提高石墨烯吸收率及光電響應度,但大多伴有金屬吸收損耗或復雜的制作工藝。本文將針對石墨烯吸收率低的問題提出新的光子學解決方案,通過調控光學表面波實現(xiàn)單層石墨烯完美光吸收,并將其應用于折射率傳感,本論文主要工作概括如下:1、首先介紹了本研究中運用的理論計算方法:傳輸矩陣法與導納圖法(包括電磁場計算方法、導納圖運算方法、導納軌跡方程、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)磁場平行分量邊界條件,將石墨烯材料視為理想的無厚度二維材料引入傳輸矩陣計算中。隨后求解了半無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構。最后,在前人的研究基礎上,通過導納圖及虛擬諧振腔模型探索半無限光子晶體的布洛赫表面波(BSW)激發(fā)與ESW起源,推導ESW激發(fā)的導納匹配條件,為后續(xù)研究建立理論基礎。2、結合二維材料與BSW,將石墨烯置于7層介質薄膜與耦合棱鏡構成的BSW器件表面,通過表面附近電場增強實現(xiàn)了單層石墨烯(~0.34 nm)在1310 nm處的完美吸收。該器件采用介質薄膜構成一維平面系統(tǒng),即能降低器件制作的復雜度與成本,同時又避免了金屬吸收損耗。根據(jù)BSW激發(fā)以及實現(xiàn)零反射率的兩個導納匹配條件,本研究提出正向與反向計算的導納圖,并得到適用于表面波-石墨烯完美吸收器的導納匹配條件和器件設計方法,該方法避免了繁瑣的掃描過程,可任意選擇石墨烯完美吸收器的結構參數(shù)作為未知變量,能快速實現(xiàn)完美吸收。另外,通過各結構參數(shù)與材料參數(shù)對石墨烯吸收率的影響,借助虛擬腔勢壘模型及導納圖,進一步探索了BSW-石墨烯完美吸收器的工作原理。最后,應用上述結論,突破結構周期限制,利用非周期介質膜系激發(fā)類似于BSW的表面電磁波,并實現(xiàn)了石墨烯完美吸收。3、鑒于BSW的電場局域增強特性及石墨烯在生物傳感方面的優(yōu)勢,本研究將BSW-石墨烯完美吸收器應用于折射率傳感,分別計算了其角度及波長傳感性能。隨后,結合一階微擾理論分析入射條件、結構參數(shù)及吸收損耗對電場分布及波長傳感性能的影響。通過理論計算驗證了石墨烯-BSW器件的高傳感性能,其波長傳感靈敏度及品質因數(shù)可達7023 nm/RIU及196.44。BSW器件的吸收損耗對器件設計、反射譜形狀及傳感性能有較大影響,低吸收損耗器件可實現(xiàn)高電場增強,但同時也將增加光子晶體周期對數(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電場增強實現(xiàn)完美吸收,相比于基于SPP的陷光機制,有效降低了器件的制作難度,且更易于集成。平面純介質表面波系統(tǒng)或為低成本和高性能的二維器件應用提供有價值的方案。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)出更高的電場增強及傳感性能。通過調節(jié)吸收損耗實現(xiàn)BSW器件的強電場束縛/增強,或為BSW器件在非線性增強、熒光增強和傳感等領域的應用與設計提供參考。
【圖文】：

影響著經濟的發(fā)展、軍事技術的提升以爾定律基本預言了集成電路中晶體管數(shù)程師 RobertDennard，在上世紀七十年加一倍，對應的計算機運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，利用其能帶結構實現(xiàn)開關效應。量級，若繼續(xù)減薄半導體材料的厚度，材硅基器件的發(fā)展已基本達到極限。

于表面波的石墨烯光吸收增強 第一章 緒關需要突破[15]。另一方面，石墨烯的超高載流子遷移率和獨特的光學性質也為光電探測器和光制器等光電器件帶來了新的機遇。2009 年，夏豐年等人制出了世界上第一個石光電探測器，測得 0.5 mA/W 的響應度，如圖 1.2(a)所示[25]。傳統(tǒng)的半導體光電在紅外波段的應用受制于半導體材料的截止波長，而石墨烯的零帶隙能帶結構使 300  2500 nm 具有平坦的吸收譜（吸收率約為 2.3%，由精細結構常數(shù)定義）[11 年，基于夏豐年提出的結構，Mueller 等人采用不對稱多指交叉電極替代原先稱電極(原理圖如圖 1.2(b)所示)，通過增加有效探測區(qū)域并打破電流的對稱性提墨烯光電探測器的響應度，，在 1.55 μm、外加偏壓下的響應度可達 6.1 mA/W[26推測，石墨烯光電探測器至少能夠實現(xiàn) 0.3 ~ 6 μm 的探測[27]。
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 趙建紅;宋立媛;姬榮斌;項金鐘;唐利斌;;石墨烯在光電探測領域的研究進展[J];紅外技術;2014年08期

2 尹偉紅;韓勤;楊曉紅;;基于石墨烯的半導體光電器件研究進展[J];物理學報;2012年24期

3 龍威;黃榮華;;石墨烯的化學奧秘及研究進展[J];洛陽理工學院學報(自然科學版);2012年01期

相關博士學位論文 前1條

1 李延輝;一維光子晶體表面波及其傳感應用研究[D];山東大學;2014年

本文編號：2588837