共振體系增強石墨烯的非線性光學效應的研究
發(fā)布時間：2021-02-09 00:25
石墨烯由于其特殊的能帶結(jié)構(gòu),具有優(yōu)異的電學與光學性能,在光電子學器件如光電開關(guān)、相位調(diào)制器、鎖模激光器、濾波器等方面具有重要應用。但是由于石墨烯的單層原子特性,在可見及近紅外波段具有高達97.7%的透過率,即光與石墨烯的作用相對較弱。物質(zhì)的非線性光學響應與光電場的高階項相關(guān),因此增強石墨烯與光場的相互作用,從而增強石墨烯的非線性光學響應是非線性光學領(lǐng)域的重要研究課題。本論文主要研究了單層石墨烯在近場電場增強作用下的非線性光學響應。本論文研究在制備及設(shè)計基于石墨烯的非線性光學器件方面具有重要研究意義。本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論有:1.我們利用有限元的方法對覆蓋在硅光柵上的石墨烯進行了二次諧波產(chǎn)生（SHG）和三次諧波產(chǎn)生（THG）的數(shù)值研究。光柵輔助的石墨烯等離子體激元通過橫向磁（TM）極化而激發(fā)。我們使用石墨烯的表面電導率以及在基頻,SHG和THG頻率下對應的石墨烯表面電流密度,代替有效的面內(nèi)介電常數(shù)來代表真實的石墨烯。我們將研究重點放在中紅外頻率上,尤其是在10.6μm的波長處,這是二氧化碳（CO2）激光器的輸出波長。我們詳細研究了受石墨烯費米能級,光柵周期,入射...
【文章來源】：山東師范大學山東省
【文章頁數(shù)】：48 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
石墨烯原子結(jié)構(gòu)示意圖
山東師范大學碩士學位論文1第一章緒論1.1石墨烯概述2004年，英國曼徹斯特大學的K.S.Novoselov和A.K.Geim在高定向熱解石墨上利用機械剝離的方法首次得到單原子層的石墨，即石墨烯(Graphene)[1]。如圖1-1所示。圖1-1石墨烯原子結(jié)構(gòu)示意圖石墨烯是由sp2軌道雜化的碳原子，按六角形緊密排成一個單層的二維蜂窩狀晶格，其厚度僅有0.34nm[1]。組成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的正六邊形苯環(huán)中的化學鍵為大π鍵，鍵長為0.142nm，大π鍵鍵能較大，不易斷裂，因此石墨烯性質(zhì)比較穩(wěn)定；苯環(huán)相互交叉相連，π電子能夠遷移，使得石墨烯具有良好的導電性，在室溫的條件下，具有2×105cm/vs2的電子遷移率，電導率達到106S/m[2]；石墨烯中的電子是狄拉克費米子，色散關(guān)系是線性的[2,3]，如圖1-2所示，因此具有超高遷移率和零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)。在可見光區(qū)域，單原子層厚度的石墨烯的反射光小于0.1%。當達到數(shù)十層時，會上升到2%左右[4]。其對可見光的吸收大約為2.3%[5]。圖1-2石墨烯能帶結(jié)構(gòu)示意圖（該圖引于A.C.Neto,F.Guinea,N.M.Peres,K.S.Novoselov,andA.
山東師范大學碩士學位論文7周期，h為光柵高度，w為光柵寬度，入射光波矢k=2π/λ，λ為入射光波長，入射角為α，入射偏振方向為橫磁模(即TM偏振，如圖中E為電場分量，H為磁場分量)。當入射光波矢與硅光柵的周期結(jié)構(gòu)倒格矢滿足石墨烯表面等離激元波矢匹配時，將激發(fā)石墨烯的表面等離激元共振，從而在石墨烯表面形成增強的局域電場，增強石墨烯的二次及三次諧波產(chǎn)生。硅的折射率假定為3.42，石墨烯的表面電導σs由Kubo公式給出[67]，22121122()ln2cosh()ln242()BffsBfekTiEieEiikTEi(2.1)其中，T為絕對溫度，ω為角頻率，e為電子電量，kB為玻爾茲曼常數(shù)，為約化普朗克常數(shù)，τ為載流子弛豫時間，Ef為石墨烯費米能級。石墨烯載流子弛豫時間τ正比于遷移率μ=evf2τ/Ef，vf≈106m/s為石墨烯的費米速度。本論文中除非特別說明，所用參數(shù)分別為τ=1ps,μ=10000cm2/(V·S)andT=300K。費米能級Ef可以通過偏壓或化學摻雜動態(tài)可調(diào)。圖2-1石墨烯覆蓋硅光柵的結(jié)構(gòu)示意圖在TM偏振下，石墨烯的二次諧波產(chǎn)生表面電流可表示為[68]，3222223x38fiqxevjqEe(2.2)其中，q為石墨烯面內(nèi)動量，Ex為沿石墨烯表面的電常此公式可以看出，石墨烯的二階表面電流與費米能級Ef無關(guān)。對于石墨烯的三階電導率，有八個非零且獨立的成分[69]，即(3)(3)xxyyyyxx，(3)(3)xyxyyxyx，(3)(3)xyyxyxxy，和(3)(3)(3)(3)(3)xxxxyyyyxxyyxyxyxyyx，其中x和y是石墨烯的平面內(nèi)坐標，如
本文編號：3024738
【文章來源】：山東師范大學山東省
【文章頁數(shù)】：48 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
石墨烯原子結(jié)構(gòu)示意圖
山東師范大學碩士學位論文1第一章緒論1.1石墨烯概述2004年，英國曼徹斯特大學的K.S.Novoselov和A.K.Geim在高定向熱解石墨上利用機械剝離的方法首次得到單原子層的石墨，即石墨烯(Graphene)[1]。如圖1-1所示。圖1-1石墨烯原子結(jié)構(gòu)示意圖石墨烯是由sp2軌道雜化的碳原子，按六角形緊密排成一個單層的二維蜂窩狀晶格，其厚度僅有0.34nm[1]。組成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的正六邊形苯環(huán)中的化學鍵為大π鍵，鍵長為0.142nm，大π鍵鍵能較大，不易斷裂，因此石墨烯性質(zhì)比較穩(wěn)定；苯環(huán)相互交叉相連，π電子能夠遷移，使得石墨烯具有良好的導電性，在室溫的條件下，具有2×105cm/vs2的電子遷移率，電導率達到106S/m[2]；石墨烯中的電子是狄拉克費米子，色散關(guān)系是線性的[2,3]，如圖1-2所示，因此具有超高遷移率和零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)。在可見光區(qū)域，單原子層厚度的石墨烯的反射光小于0.1%。當達到數(shù)十層時，會上升到2%左右[4]。其對可見光的吸收大約為2.3%[5]。圖1-2石墨烯能帶結(jié)構(gòu)示意圖（該圖引于A.C.Neto,F.Guinea,N.M.Peres,K.S.Novoselov,andA.
山東師范大學碩士學位論文7周期，h為光柵高度，w為光柵寬度，入射光波矢k=2π/λ，λ為入射光波長，入射角為α，入射偏振方向為橫磁模(即TM偏振，如圖中E為電場分量，H為磁場分量)。當入射光波矢與硅光柵的周期結(jié)構(gòu)倒格矢滿足石墨烯表面等離激元波矢匹配時，將激發(fā)石墨烯的表面等離激元共振，從而在石墨烯表面形成增強的局域電場，增強石墨烯的二次及三次諧波產(chǎn)生。硅的折射率假定為3.42，石墨烯的表面電導σs由Kubo公式給出[67]，22121122()ln2cosh()ln242()BffsBfekTiEieEiikTEi(2.1)其中，T為絕對溫度，ω為角頻率，e為電子電量，kB為玻爾茲曼常數(shù)，為約化普朗克常數(shù)，τ為載流子弛豫時間，Ef為石墨烯費米能級。石墨烯載流子弛豫時間τ正比于遷移率μ=evf2τ/Ef，vf≈106m/s為石墨烯的費米速度。本論文中除非特別說明，所用參數(shù)分別為τ=1ps,μ=10000cm2/(V·S)andT=300K。費米能級Ef可以通過偏壓或化學摻雜動態(tài)可調(diào)。圖2-1石墨烯覆蓋硅光柵的結(jié)構(gòu)示意圖在TM偏振下，石墨烯的二次諧波產(chǎn)生表面電流可表示為[68]，3222223x38fiqxevjqEe(2.2)其中，q為石墨烯面內(nèi)動量，Ex為沿石墨烯表面的電常此公式可以看出，石墨烯的二階表面電流與費米能級Ef無關(guān)。對于石墨烯的三階電導率，有八個非零且獨立的成分[69]，即(3)(3)xxyyyyxx，(3)(3)xyxyyxyx，(3)(3)xyyxyxxy，和(3)(3)(3)(3)(3)xxxxyyyyxxyyxyxyxyyx，其中x和y是石墨烯的平面內(nèi)坐標，如
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