自然界中的物體每時(shí)每刻都向外界輻射能量,傳統(tǒng)的塊狀結(jié)構(gòu)只能響應(yīng)固定的能量,難以滿足現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)應(yīng)用的高性能和集成化需求。將塊狀結(jié)構(gòu)加工成具有周期性形貌的微納結(jié)構(gòu),則能夠?qū)崿F(xiàn)對特定輻射能量的調(diào)控,并實(shí)現(xiàn)了在光學(xué)完美透鏡、帶通濾波器、隱身衣、慢光結(jié)構(gòu)和電磁黑洞等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。但是,由傳統(tǒng)金屬電介質(zhì)組成的微納結(jié)構(gòu)在參數(shù)確定后只能響應(yīng)固定的能量,很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控的功能。石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來,其工藝能夠與傳統(tǒng)材料相兼容并且費(fèi)米能級可調(diào)控的特性對于解決上述問題提供了新的方案。本文從微納結(jié)構(gòu)能夠操控光譜特性和石墨烯獨(dú)特的光學(xué)特征出發(fā),通過研究石墨烯/微納結(jié)構(gòu)光學(xué)調(diào)控的設(shè)計(jì)方法和物理機(jī)制,結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)的方法,探索石墨烯/微納結(jié)構(gòu)在窄帶探測和紅外動(dòng)態(tài)調(diào)控等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,為新型石墨烯器件的研制和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。研究了基于傳統(tǒng)金屬電介質(zhì)材料組成的微納結(jié)構(gòu)窄帶和寬帶光調(diào)控特性。設(shè)計(jì)了Al/Al2O3/Al環(huán)形微納結(jié)構(gòu)和W/SiO₂多層金字塔微納結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了對特定光譜窄帶和寬帶的吸收,分析了引起場增強(qiáng)模式的內(nèi)部機(jī)制。環(huán)形結(jié)構(gòu)能夠激發(fā)多個(gè)磁極化模式實(shí)現(xiàn)窄帶完美吸收,多層金字塔結(jié)構(gòu)激發(fā)慢光... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省211工程院校985工程院校

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

表面等離激元原理說明圖[30]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文-4-電磁波與這些材料相互作用會產(chǎn)生不止一個(gè)物理場的激發(fā)模式，多物理場的相互影響又會實(shí)現(xiàn)更多的功能。微納結(jié)構(gòu)就是對這些不同功能材料的排布以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的排列組合，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)電磁波的響應(yīng)。圖1-2基于電磁特性的基本材料體系分類[39]Fig.1-2Classificationofbasicmaterialsystemsbasedonelectromagneticproperties傳統(tǒng)的微納結(jié)構(gòu)大多采用金屬、電介質(zhì)材料，比較典型的有金屬微納結(jié)構(gòu)[40]、電介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)[41]、金屬/電介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)[42]、金屬/電介質(zhì)/金屬微納結(jié)構(gòu)[43]和多層金屬/電介質(zhì)雙曲微納結(jié)構(gòu)[44]，通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料的不同排列組合，實(shí)現(xiàn)了窄帶單峰值、多峰值和寬帶光譜的完美吸收和透過，設(shè)計(jì)的調(diào)控波段跨越了可見光波段[45]、紅外波段[46-54]、THz波段[55]和微波波段[56,57]，為不同波段的光學(xué)探測器、光吸收、光子檢測、儲能和生物傳感器等提供很好的理論和實(shí)際應(yīng)用支持。已查明引起這些奇異特性的激發(fā)機(jī)制包括表面等離激元、磁極化、法布里波羅共振、慢光效應(yīng)、漸變折射和相位共振等模式。窄帶單峰完美吸收光譜調(diào)控特性是微納結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型研究方向，尤其應(yīng)用于折射率傳感器等領(lǐng)域，對于污染物的探測有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。2008年，Landy等[58]首次實(shí)現(xiàn)了一種開口諧振器和金屬平板耦合在一起的微納結(jié)構(gòu)完美吸收器。吸收器結(jié)構(gòu)單元由銅/FR-4/銅三層組成，共振頻率在11.5GHz，實(shí)測和仿真吸收率接近100%。高吸收率是由于上下兩層結(jié)構(gòu)耦合形成磁共振，調(diào)整兩層結(jié)構(gòu)的參數(shù)和相互之間的距離，使其達(dá)到相同的共振頻點(diǎn)，能夠使電磁波通過吸收器被最大限度的吸收。兩年后，Liu等[59]通過實(shí)驗(yàn)測量出了一種在λ=1.6μm能夠完美吸收電磁波的吸收體，紅外光垂直入射時(shí)能

第1章緒論-5-個(gè)單吸收峰，并且吸收峰值達(dá)到98%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了鋁在中紅外波段是很好的等離子激元材料并且制造成本相對低廉。Walter等[61]通過膠體刻蝕和干法蝕刻的方法制備出一種在近紅外實(shí)現(xiàn)大角度偏振完美吸收的Au/MgF2/Au三維微納結(jié)構(gòu)。隨著蝕刻時(shí)間的不同，吸收峰值能夠?qū)崿F(xiàn)不同波長位置的移動(dòng)。由于設(shè)計(jì)上的無序排列，使得極化獨(dú)立，入射角度達(dá)到50°時(shí)吸收率仍然保持98%。圖1-3窄帶完美吸收體[58,59]Fig.1-3Narrowbandperfectabsorber實(shí)現(xiàn)寬帶吸收相較于窄帶吸收在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工上要復(fù)雜的多，一般簡單單層結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)，需要多層材料有規(guī)律組合在一起，激發(fā)特定的光學(xué)模式，色散關(guān)系符合雙曲線特征的微納結(jié)構(gòu)就是能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶吸收的典型結(jié)構(gòu)。Smith等[62]首次提出了雙層開口諧振器具有雙曲線的色散關(guān)系，之后利用雙曲關(guān)系構(gòu)建不同形式的微納結(jié)構(gòu)也多見報(bào)端。實(shí)現(xiàn)雙曲色散關(guān)系一般是金屬和介電層交替疊加。多層膜形式結(jié)構(gòu)的性能依賴于金屬和介電層材料的選擇，而設(shè)計(jì)成不同圖案形貌結(jié)構(gòu)的性能取決于形貌所激發(fā)的光學(xué)模式，光學(xué)模式對性能的影響大于材料本身物性對性能的影響。He等[63-65]理論和實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了雙曲多層微納結(jié)構(gòu)高吸收特性。分別在可見、紅外和微波波段設(shè)計(jì)出不同尺寸的多層金字塔吸波結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)和理論共同驗(yàn)證了寬波段的完美吸收特性。Yang等[66]在單元尺寸為200nm的尺度下制備出一種由銀/鍺交替累積的三維塔形雙曲微納結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)揭示了不同尺寸的結(jié)構(gòu)單元能夠在相同頻率下共振，高階共振帶動(dòng)低頻共振。Liang等[67]設(shè)計(jì)了一種納米錐陣列，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)太陽光譜（0.2μm-2.5μm）接近100％的吸收特性，并且寬角度下依然保持良好的高吸收性能。Guo等[68]實(shí)驗(yàn)和理論分析了一種高帶寬吸收的錐形雙曲微納


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