本文關(guān)鍵詞：石墨烯及其異質(zhì)結(jié)的非線性表面等離子體激元研究　出處：《深圳大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：石墨烯作為第一種被發(fā)現(xiàn)的二維材料,自出現(xiàn)開始就受到人們廣泛的關(guān)注。石墨烯相對于傳統(tǒng)的材料具有許多優(yōu)良的特性,包括:非常高的非線性折射率和吸收系數(shù);快速的響應(yīng)時間;非常大的工作帶寬;光與石墨烯的強相互作用;方便靈活的調(diào)控方式等。這使得石墨烯在光電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前針對石墨烯在光電子領(lǐng)域的研究方興未艾。其中,石墨烯表面等離子體激元成為一個研究的熱點。因為石墨烯和貴金屬相比,在支持表面等離子體激元方面具有以下優(yōu)勢:首先,石墨烯中的表面等離子體激元的損耗要比在貴金屬中小,因此傳輸長度大于貴金屬中的表面等離子體激元,同時石墨烯中表面等離子體激元具有更高的局域性,電磁場能被很好地限制在石墨烯表面附近。其次,更重要的一個優(yōu)點是,石墨烯的電導(dǎo)率可以通過外加電場或化學(xué)摻雜被調(diào)制,可以利用石墨烯的這種特性設(shè)計制作相應(yīng)的光電子器件。圍繞探索石墨烯表面等離子體激元的獨特特性,以期應(yīng)用于新型的光電子器件,本文進行了一系列研究,并取得了如下的成果:1.我們研究了各向異性的晶體位于兩層石墨烯之間時的表面等離子體激元的特性,結(jié)果表明所研究晶體的光軸的不同的放置方向,對于奇模式和偶模式表面等離子體激元特性具有不同的影響。對于奇模式,當(dāng)晶體光軸與交界面平行時有效折射率最大,而晶體光軸與交界面垂直時有效折射率最小。當(dāng)兩層石墨烯間隔超過某一閾值時,晶體光軸與交界面平行對應(yīng)的表面等離子體激元傳輸長度最大。偶模式的特點則剛好與奇模式相反。我們通過分析電磁場分布,揭示了其原因在于不同的晶體光軸朝向會影響模式電磁場的分布,并分析了各向異性晶體位于不同位置時對石墨烯表面等離子體激元的影響。2.我們研究了一種非線性表面聲子-等離子體激元的特性,這種表面聲子-等離子體激元存在于石墨烯介于六方氮化硼(hBN)和非線性介質(zhì)之間的結(jié)構(gòu)中。理論研究表明,可以通過控制石墨烯的化學(xué)勢能、層數(shù)和弛豫時間等參數(shù)來調(diào)節(jié)表面聲子-等離子體激元的特性。同時發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)非線性部分對于其傳播常數(shù)的影響很大:低頻模式傳播常數(shù)的實部隨著正值介電常數(shù)的非線性部分增加而增加;在上剩余射線帶,虛部則隨著正的介電常數(shù)的非線性部分增加而減小,在下剩余射線帶則幾乎保持不變,而帶外的低頻模式的虛部則隨之增加。本文的結(jié)果有助于石墨烯-hBN的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在實際中的應(yīng)用。3.我們研究了雙層石墨烯兩側(cè)為對稱的非線性介質(zhì),中間夾層為線性介質(zhì)時的TE極化表面等離子體激元,所研究波長為中紅外和太赫茲波段。與單層石墨烯介于無限大的非線性材料和線性材料的結(jié)構(gòu)相比,該結(jié)構(gòu)中的TE極化表面等離子體激元能夠獲得更靈活的調(diào)控方式,更強的光場局域性。我們分析了該結(jié)構(gòu)條件下偶對稱和奇對稱TE模式的存在條件。研究表明當(dāng)中間介質(zhì)介電常數(shù)小于非線性材料介電常數(shù)的線性部分時,同一個非線性變化量可以對應(yīng)兩個不同的偶對稱模式分支;而當(dāng)中間介質(zhì)介電常數(shù)大于非線性材料介電常數(shù)的線性部分時,只存在一個偶對稱模式分支。并發(fā)現(xiàn)了當(dāng)中間的線性介質(zhì)的介電常數(shù)大于非線性材料介電常數(shù)的線性部分,且兩層石墨烯的間隔足夠大時,存在奇對稱的TE極化表面等離子體激元,這種奇對稱TE模式在類似的金屬結(jié)構(gòu)中是不存在的。并且我們研究了石墨烯的費米能級對于TE極化表面等離子體激元的傳播常數(shù)以及模式電場的峰值位置的影響。此外文中還闡明了石墨烯本身的損耗和非線性對于色散特性的影響。4.我們設(shè)計了一種石墨烯-介質(zhì)-石墨烯的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可以非常方便地通過外加偏置電壓實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的特性進行調(diào)節(jié),并且獲得非常小的雙穩(wěn)態(tài)閾值功率。我們首先利用傳輸矩陣法分析了該結(jié)構(gòu)的反射系數(shù),進一步找出該結(jié)構(gòu)的表面等離子體激元對應(yīng)的衰減全反射(ATR)入射角度。通過分析發(fā)現(xiàn),隨著波長的增加或者石墨烯費米能級的增加,都會導(dǎo)致激發(fā)表面等離子體激元對應(yīng)的ATR入射角度減小,而ATR譜的寬度也相應(yīng)減小,同時棱鏡和石墨烯之間的最佳的間隔增加。同時隨著兩層石墨烯之間的間隔增加時,會導(dǎo)致激發(fā)表面等離子體激元對應(yīng)的入射角度增加,ATR譜峰值的寬度相應(yīng)增加,而棱鏡和石墨烯之間的最佳的間隔則是先減小而后增加�；诖私Y(jié)論,我們優(yōu)化結(jié)構(gòu)的參數(shù),計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯間隔的減小,雙穩(wěn)態(tài)的閾值功率減小,但是當(dāng)石墨烯的間隔小于一定值時,石墨烯間隔對于雙穩(wěn)態(tài)的影響比較小。此外,隨著石墨烯費米能級的增加,或者石墨烯弛豫時間的增加,或是上下石墨烯層數(shù)的增加,都會導(dǎo)致雙穩(wěn)態(tài)的閾值功率的減小。最終相對于單層石墨烯結(jié)構(gòu),我們所設(shè)計的上下多層石墨烯夾心結(jié)構(gòu),雙穩(wěn)態(tài)閾值降低了4個數(shù)量級。
[Abstract]:Graphene as a first discovered two-dimensional material since the beginning has been widespread concern. Compared with traditional materials, graphene has many excellent properties, including high nonlinear refractive index and absorption coefficient; fast response time; very large bandwidth; light and strong interaction of graphene convenient and flexible; regulation mode. This makes graphene has wide application prospect in the field of optoelectronics. The graphene research in the field of photonics just unfolding. Among them, the graphene surface plasmon becomes a hot research topic. Because graphene and precious metals, has the following advantages in supporting surface plasmon yuan: first, the plasmon loss in graphene surface plasma should be smaller than that in precious metals, so the transmission length is greater than the precious metals in surface plasmon polaritons At the same time, graphene has localized surface plasmon higher, electromagnetic field can be well confined near the surface of graphene. Secondly, a more important advantage is that the conductivity of graphene can be doped by external electric field or chemical is modulated, the fabrication of optoelectronic devices designed this characteristic can use stone graphene. Exploring graphene surface plasmon unique characteristics, applied in optoelectronic device model, this paper conducted a series of studies, and achieved the following results: 1. we study the anisotropic crystal in the plasmon characteristics between two layers of graphene surface plasma, results show that the study of optical axis of different crystal orientations, have different effects on the odd mode and even mode surface plasmon characteristics. For the odd mode, when the optical axis of the crystal and the interface Parallel to the effective refractive index, and the optical axis of the crystal and the interface of vertical effective refractive index is minimum. When the two layer graphene interval exceeds a threshold, the optical axis of the crystal and the interface of the corresponding surface plasmon transmission characteristics. The maximum length is just the odd and even mode mode instead. We analyze the electromagnetic field distribution the reason is that, reveals the different orientations of the optical axis of the crystal will affect the distribution pattern of the electromagnetic field, and analyzes the anisotropic crystals at different positions on the graphene surface plasmon effect.2. we developed a nonlinear surface phonon plasmon properties, the surface phonon plasmon in graphene between six boron nitride (hBN) structure and nonlinear medium. The theory research shows that can control the chemical potential of graphene layers, and relaxation The characteristics of time and other parameters to adjust the surface PHONON-PLASMON. At the same time it was found that the dielectric constant for the nonlinear part of the propagation constant: the real part of the low-frequency mode propagation constant increased with the nonlinear part of positive dielectric constant increased; in the reststrahlen band, the imaginary part is decrease with nonlinear dielectric constant is the increasing in reststrahlen band is almost the same, while the low-frequency modes of the imaginary part of the band is increased. The application of.3. heterojunction structure, the results of this paper contribute to graphene -hBN in practice, we study the bilayer graphene on both sides of the symmetric nonlinear medium, the middle layer is linear medium TE polarized surface plasmon, the wavelength of infrared and terahertz. Compared with the structure and material nonlinearity of linear material and graphene is infinite. The structure of the TE polarization, the surface plasmon can obtain control more flexible, more local light field. We analyzed the existence condition of the structure under the condition of even and odd symmetry TE mode. The results show that when the intermediate dielectric constant is less than the nonlinear dielectric constant of the linear part, change the amount of the same nonlinear can correspond to two different branches of symmetric mode; and when the linear part of the middle dielectric constant greater than the nonlinear dielectric constant of the material, there is only one symmetric mode branch. We found the linear part of the dielectric constant when the linear medium intermediate is greater than the dielectric constant of the material nonlinear, and the two layer graphene interval is large enough, there are odd symmetric TE polarized surface plasmon, the odd symmetric TE mode does not exist in the metal structure similar. And we research The Fermi level of graphene for the peak position of TE polarized surface plasmon propagation constant and the mode field effect. In addition the paper also illustrates the loss and nonlinear effects on the graphene dispersion characteristics of.4. we designed a bistable structure of graphene - medium - graphene, the structure you can easily through the bias voltage on the structure characteristics of regulation, and the bistable threshold power is very small. We first analyzed using transfer matrix method. The reflection coefficient of the structure, to further identify the surface plasmon corresponding to the structure of the attenuated total reflection (ATR) incident angle. The analysis found that with the increase of the wavelength increases or graphene Fermi level, will lead to the ATR incident angle corresponding to the excitation of surface plasmons decreases, while the ATR spectrum width The corresponding decreases, the optimum interval between the prism and graphene increased. At the same time with the interval between the two layers of graphene increased, will lead to the incident angle of the excitation of the surface plasmon corresponding increase, ATR peak width increases, and the optimum interval between the prism and the graphene is decreased at first and then increased. Based on this conclusion, we optimize the structure parameters, the calculation results show that with the decrease of graphene interval, the bistable threshold power decreases, but when the graphene interval is less than a certain value, the graphene interval is relatively small impact on bitable. In addition, with the increase of Fermi energy of graphene, graphite or increase by relaxation time, or is on the increase of graphene layers, will lead to reduce the threshold power bitable. Finally compared with single-layer graphene structure, the upper and lower layers stone we designed With the sandwich structure, the bistable threshold is reduced by 4 orders of magnitude.

【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ127.11

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本文編號：1441620