石墨烯中红外表面等离子体波导特性及应用研究

摘要

石墨烯是碳原子以正六边形晶格排列的单原子层厚度的二维晶体。石墨烯既是最薄的材料也是韧性最好的材料——其强度是最好的钢材的200倍。石墨烯还具有极佳的导电性，电子迁移率高、电阻极低——是目前世界上电阻率最小的材料。热学方面，石墨烯有特别高的导热系数——远远高于普通的碳纳米管和金刚石。光学方面，石墨烯具有高达97％的透过率，同时石墨烯存在饱和吸收特性，故石墨烯可以运用在光纤激光器的锁模技术中，从而实现全频带锁模。
　　另外石墨烯支持的中红外、太赫兹波段的表面等离子体波与金属相比，有以下几点优势：首先，金属只支持可见光到近红外波段的表面等离子体波，石墨烯弥补了金属没法覆盖的长波长波段；然后，石墨烯表面等离子体波的局域性更强，更利于深度集成；最后，石墨烯的光学特性与其载流子浓度相关，故石墨烯支持的表面等离子体波具有可调特性。
　　本论文的主要研究内容如下：
　　介绍石墨烯表面等离子体波的特性和目前国际上对于石墨烯表面等离子体波的研究状况。
　　从麦克斯韦方程出发，与传统的金属表面等离子体波进行对比，分析石墨烯的表面等离子体波优势的物理根源。
　　简单的介绍解析求解、数值求解波导问题的几种方法，并对介质-石墨烯表面等离子体波导进行详细的分析，从模场分布、色散特性、可调特性和传输特性等方面展开研究。
　　利用介质-石墨烯表面等离子体波导的优势设计中红外超小的、宽带可调的表面等离子体多模干涉仪。

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1 绪论

1.1 石墨烯研究的简介

1.2 石墨烯表面等离子体波的研究现状

1.2.1 石墨烯表面等离子体波的激发

1.2.2 石墨烯表面等离子体波导的研究状况

1.3 本论文的主要安排

2 石墨烯表面等离子体波的基本特性

2.1 石墨烯的材料特性

2.2 石墨烯的表面等离子体波特性

2.2.1 传统的金属介质表面的表面等离子体波特性

2.2.2 石墨烯的表面等离子体波特性

2.2.3 石墨烯表面等离子体波的优势

2.3 本章小结

3 石墨烯表面等离子体波导的研究方法和模式分析

3.1 石墨烯表面等离子体波导的研究方法

3.1.1 有限元法

3.1.2 时域有限差分法

3.2 石墨烯表面等离子体波导的模式分析

3.2.1 波导的有效折射率理论

3.2.2 介质-石墨烯波导的模式分析

3.3 本章小结

4 基于介质-石墨烯波导的超小的宽带可调多模干涉仪

4.1 多模干涉仪的原理

4.2 设计中红外超小的、宽带可调的多模干涉仪

4.2.1 介质-石墨烯表面等离子体波导的优势

4.2.2 确定介质-石墨烯多模干涉区的尺寸

4.2.3 设计超小、宽带可调的多模干涉仪

4.2.4 渐变多模干涉区的宽度来提高器件性能

4.3 本章小节

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文目录