發(fā)布時間：2017-12-17 11:11

  本文關(guān)鍵詞：碳基材料與太赫茲波的相互作用

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【摘要】：碳元素是構(gòu)成各種有機(jī)物乃至生命物質(zhì)的基本元素。碳基材料,如石墨、石墨烯以及碳納米管等已經(jīng)被人們所熟知,但它們與太赫茲波的相互作用還很少被研究。本文主要就石墨太赫茲產(chǎn)生,以及石墨烯太赫茲調(diào)制兩方面的工作進(jìn)行討論,從一個新的視角揭示碳基材料的物理特性,同時展示石墨烯在太赫茲調(diào)制方面的應(yīng)用潛力。關(guān)于石墨產(chǎn)生太赫茲波的研究最早始于2009年,隨后陸續(xù)有幾篇文獻(xiàn)做了跟進(jìn),但是至今研究者們對其物理機(jī)制還沒有統(tǒng)一的定論。我們首次對石墨太赫茲輻射進(jìn)行了原位的電學(xué)調(diào)制,發(fā)現(xiàn)太赫茲幅值隨電壓連續(xù)變化,且當(dāng)電壓變號時太赫茲波形出現(xiàn)反轉(zhuǎn),這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接揭示了石墨產(chǎn)生太赫茲波的物理機(jī)制——表面場驅(qū)動光生載流子運(yùn)動產(chǎn)生瞬態(tài)電流,進(jìn)而輻射出太赫茲波。同時我們還發(fā)現(xiàn),與半導(dǎo)體材料不同,石墨產(chǎn)生的太赫茲信號在電調(diào)制下更易飽和,且正負(fù)偏壓下的飽和幅值差異較大,其比值接近于一個常數(shù)2.3。依據(jù)第一性原理的仿真結(jié)果,我們定量地證明了這是源于石墨內(nèi)電子和空穴有效質(zhì)量的差異。石墨烯等離激元是近幾年比較熱門的研究方向,它和太赫茲波的相互作用更是一個嶄新的研究課題,這其中可能蘊(yùn)藏著很多未知的物理問題等待人們挖掘和探究。目前研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了石墨烯等離激元有別于傳統(tǒng)半導(dǎo)體二維電子氣的一些獨(dú)特的物理性質(zhì),并且展示了其在太赫茲頻段的應(yīng)用潛力。我們關(guān)于此課題的研究主要可以分為兩個方面:1)通過計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化石墨烯超材料的結(jié)構(gòu)和尺寸,以期利用石墨烯等離激元實(shí)現(xiàn)0.1~3THz頻段的大幅度的選頻調(diào)制。我們利用CST軟件對三種反相結(jié)構(gòu)的石墨烯超材料進(jìn)行了仿真:圓孔陣列、矩形孔陣列和互補(bǔ)型共振劈裂環(huán)陣列(CSRR)。通過比較我們發(fā)現(xiàn),CSRR結(jié)構(gòu)的調(diào)制深度最大,這為石墨烯在太赫茲調(diào)制以及紅外傳感等方面的應(yīng)用提供了一個新的優(yōu)化方案;2)制備基于CSRR結(jié)構(gòu)石墨烯超材料的太赫茲選頻調(diào)制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,此調(diào)制器能實(shí)現(xiàn)兩個偏振的大幅度調(diào)制,且調(diào)制度均達(dá)到了35%,這是目前文獻(xiàn)報(bào)道的利用純石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行選頻調(diào)制的最高紀(jì)錄。而且通過圖案設(shè)計(jì),我們將石墨烯等離激元的諧振頻率調(diào)到了0.5THz,據(jù)我們所知,這是目前文獻(xiàn)報(bào)道的石墨烯等離激元諧振的最低頻率。由于0.1~3THz是目前絕大多數(shù)THz-TDS系統(tǒng)的工作頻段,所以我們的工作也進(jìn)一步促進(jìn)了石墨烯等離激元在太赫茲調(diào)制方面的應(yīng)用;由于0.1THz非常接近于電學(xué)應(yīng)用的頻率范圍,這為石墨烯光電應(yīng)用的發(fā)展提供了可能。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O441.4

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本文編號：1299884