【摘要】：表面等離激元是金屬表面電子與入射電子或光子相互作用而形成的一種集體震蕩行為,由于等離子體波能克服傳統(tǒng)的光衍射極限,存在著巨大的局部場(chǎng)增強(qiáng),異常透射,在傳感,生物探測(cè)方面都有著重要的應(yīng)用。石墨烯作為材料界的明星,其獨(dú)特的熱學(xué)和電光性能一直備受研究者的青睞。研究人員發(fā)現(xiàn)表面等離激元不僅能在石墨烯上激發(fā)而且還能在石墨烯上傳導(dǎo),并在2012年實(shí)驗(yàn)上得到了證實(shí)。結(jié)合石墨烯材料本身的優(yōu)越性能和表面等離激元的應(yīng)用潛能,故近幾年石墨烯表面等離激元的研究成為備受關(guān)注的熱點(diǎn)研究方向。本文基于石墨烯表面等離激元在等離子體誘導(dǎo)透明和吸收效應(yīng)方面做了一定的研究。文章的主要工作和結(jié)果如下:(1)我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)等離子體誘導(dǎo)透明(PIT)的石墨烯超材料結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)是由石墨烯圓環(huán)(作為明模式)和石墨烯條帶(作為暗模式)周期性排列而成。我們用時(shí)域有限差分法(FDTD)從數(shù)值和模擬方面研究了PIT效應(yīng)。通過(guò)研究PIT效應(yīng)的形成機(jī)理,我們發(fā)現(xiàn):圓環(huán)作為明模式(偶極子)與石墨烯條帶作為暗模式(四極子)相互作用形成PIT。我們用諧振子模型探索PIT譜線的物理機(jī)制得到很好的擬合結(jié)果。在我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中對(duì)PIT進(jìn)行調(diào)控有兩種方式:改變結(jié)構(gòu)參數(shù),改變石墨烯的費(fèi)米能。同時(shí),我們研究了我們結(jié)構(gòu)的慢光效應(yīng)。群延時(shí)超過(guò)0.03ps等效于光在真空中行進(jìn)9um的距離。重點(diǎn)研究了我們系統(tǒng)的傳感性能,研究發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)較高的RIU——折射率改變每單元對(duì)應(yīng)的諧振波長(zhǎng)的改變可達(dá)4833 nm/RIU。我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在慢光器件,傳感器方面存在巨大的潛在應(yīng)用。(2)我們?cè)谌S的石墨烯波導(dǎo)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了等離子體誘導(dǎo)吸收效應(yīng)(PIA)。我們的波導(dǎo)系統(tǒng)是由兩個(gè)石墨烯圓環(huán)和兩條石墨烯主波導(dǎo)構(gòu)成。同樣的,我們用時(shí)域有限差分法對(duì)石墨烯波導(dǎo)系統(tǒng)的PIA效應(yīng)進(jìn)行了研究。我們通過(guò)改變兩個(gè)石墨烯圓環(huán)的間隙對(duì)PIA的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。兩種傳輸途徑(|1-|2和|1-|2-|3-|2)的干涉相消形成了PIA窗口。出于應(yīng)用的考慮,通過(guò)增加一個(gè)圓實(shí)現(xiàn)雙誘導(dǎo)吸收峰現(xiàn)象,形成機(jī)理也是兩種途徑的干涉相消(|1-|2-|3和|1-|2-|3-|4-|3)。我們研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對(duì)PIA的影響,研究發(fā)現(xiàn)PIA譜線隨著石墨烯圓環(huán)半徑的增大有明顯的紅移。在不改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下,只改變石墨烯的費(fèi)米能,我們實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)可控的PIA效應(yīng)。同時(shí),我們對(duì)系統(tǒng)的傳感性能做了充分的研究。我們?cè)O(shè)計(jì)的石墨烯波導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)周邊環(huán)境折射率的改變非常敏感。折射率改變每單元對(duì)應(yīng)的諧振波長(zhǎng)的改變可達(dá)8800 nm/RIU。我們提出的實(shí)現(xiàn)PIA效應(yīng)的波導(dǎo)系統(tǒng)在光學(xué)開關(guān),光回路器件,傳感器方面都有著重要的研究意義。
【圖文】：

性可以通過(guò)兩種方式調(diào)控，這兩種方式分別是介電常數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[55,56]的假定：0 10μm石墨烯等離子體波的波長(zhǎng)為spp ，sppl =nGsp 可以通過(guò) 1/Im(kSP)進(jìn)行估算，計(jì)算得到 子體波波長(zhǎng)的 15.6 倍。由此可以得知，石墨烯超強(qiáng)的局域性，這些優(yōu)點(diǎn)特性也使得石墨烯等景。離子體的激發(fā)方式們將介紹幾種石墨烯等離子體的激發(fā)技術(shù)。從前射的動(dòng)量與石墨烯表面等離子體的動(dòng)量不匹配，到平面且擴(kuò)展到石墨烯中的表面等離極化激元光譜線的右側(cè)。這種限制在石墨烯和金屬（當(dāng)同存在的。因此，在金屬中激發(fā) SPPs 的機(jī)制通

典型的激發(fā)方式有：光柵耦合激發(fā)(Grating Coupling)、 棱鏡耦合法(Prismoupling) 、近場(chǎng)激發(fā)方法(Near-field Excitation) 、運(yùn)動(dòng)電荷線激發(fā)方法(Excitatf SPP’s by a Moving Line of Charge)。對(duì)每種方法進(jìn)行介紹如下：)光柵耦合激發(fā)通過(guò)光柵耦合在石墨烯上激發(fā) SPP 是激發(fā)石墨烯等離子體最常用的方法之7-61]。光柵耦合的基本思想是利用基礎(chǔ)光學(xué)的一般原理，即當(dāng)光束照射光柵結(jié)，它給出的是攜帶“額外”動(dòng)量貢獻(xiàn)（G = 2π/ R 的倍數(shù)，由光柵周期決定）的級(jí)，，如圖 1.4 所示，其中石墨烯片放置在具有周期 R 的圖案化電介質(zhì)的頂部一個(gè)類似于衍射光元件的波狀反射器與特定的 SPP 波相重合時(shí)，相位匹配條：sinsppq k nG(1.中 k c，n 是正整數(shù)，n
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ127.11

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 舒亮;集成光路在傳感器中的應(yīng)用[J];電工技術(shù)雜志;1987年04期

2 彭國(guó)賢;;集成光學(xué)展望[J];光電子學(xué)技術(shù);1982年02期

本文編號(hào)：2640562