基于石墨烯的表面等离激元超材料吸收体研究

摘要

石墨烯，一种碳原子呈蜂窝状排布的二维单层晶体，因其特殊的性质在光电领域备受关注。然而，在可见光频域石墨烯的光吸收率仅为2.3％。为了增强光吸收效果，我们发现:石墨烯具备较低的阻抗损耗，通过与金属超材料纳米结构组合可以大大提高光吸收率。石墨烯内部还有电可调的等离激元，可用于电光调制吸收。由于石墨烯的等离谐振能够发生在不同的光学频段，基于石墨烯的光学器件因此具备波长选择特性。
　　本文基于以上设想，对石墨烯-光相互作用的研究从两个层面展开:
　　一是结合金属超材料结构，设计出波长可调的光吸收体。由于石墨烯与贵金属的结合可看作是一种掺杂方式，能够产生局域表面等离激元，从而束缚入射光能量，产生耦合谐振现象。基于等离狭缝波导模型，分析几何调控下石墨烯吸收光谱的变化。研究从二维结构开始，逐渐拓宽至三维结构。再通过选择不同的金属材料，比较两种结构特性及参数影响。
　　二是利用石墨烯本身的电可调等离激元，通过在石墨烯层上加偏压，改变石墨烯的化学势（费米能量），以及石墨烯介电常数值，达到调节吸收光谱的目的。本文利用慢波波导模型，对石墨烯-介质层多层叠加的结构进行分析，并获得优化的结构宽度。对于介质层厚度、石墨烯偏压，根据与谐振波长的依赖关系，可确定超宽带吸收模型的结构参数。该吸收器得到了8um至32um的宽带吸收带宽，并将吸收率保持在90％上下波动，吸收率超过50％的带宽范围占总吸收带宽的83％。
　　本文的创新在于，建立多种模型（二维，三维，不同材料）来深入分析石墨烯-光相互作用机制，并有效增强石墨烯在可见光频域的吸收效果。将石墨烯的电可调特性与波长选择特性成功结合，设计出一种新型的可调宽带吸收结构。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 石墨烯简介

1．2 石墨烯基于表面等离激元效应的光电应用

1．2．1 表面等离激元原理

1．2．2 石墨烯的表面等离激元

1．2．3 基于石墨烯的光电应用

1．3 超材料简介

1．3．1 超材料的原理与机制

1．3．2 超材料的应用

1．4 论文的主要内容及创新

1．4．1 论文主要内容

1．4．2 研究创新

第二章 基于石墨烯的超材料完美吸收模型

2．1 前言

2．2 超材料可调吸收体

2．2．1 几何调控机制

2．2．2 等离狭缝波导模型

2．3 基于石墨烯的二维吸收体

2．3．1 二维模型的吸收原理

2．3．2 二维模型的几何调控分析

2．4 基于石墨烯的三维吸收体

2．4．1 两种软件算法的结果比较

2．4．2 金结构模型及参数分析

2．4．3 银结构模型及参数分析

2．5 本章小结

第三章 基于石墨烯电光调制特性的超宽带吸收器

3．1 前言

3．2 石墨烯电光调制原理

3．2．1 电子跃迁吸收机制

3．2．2 饱和吸收机制

3．3 超材料结构的超宽带吸收器

3．3．1 超宽带吸收器模型概述

3．4 基于超材料结构的石墨烯宽带吸收器

3．4．1 慢光波导模型

3．4．2 石墨烯超宽带吸收器结构及原理

3．4．3 石墨烯化学势对电光调制的影响

3．4．4 介质层厚度对电光调制的影响

3．4．5 优化方法与可调工作波长

3．5 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 研究工作回顾

4．2 不足与展望

参考文献

硕士期间的科研成果

致谢