光与石墨烯相互作用增强研究:可见光波段

摘要

石墨烯是碳原子按照蜂窝状结构排列的二维材料，是一种新型零带隙半导体材料。它拥有许多优良特性，例如高的力学强度、良好的导热性、化学惰性，超高电子迁移率、长的载流子寿命、宽波段光谱吸收等。因此，石墨烯在太阳能电池、超快激光器、超敏感传感器及探测器等众多领域有着广泛的应用前景。正是看到石墨烯有希望成为新一代革命性的半导体材料，2010年诺贝尔物理学奖授予了发现石墨烯的Geim团队。
　　但是，石墨烯在应用方面存在内在的弱点:一方面是单原子层厚度的石墨烯，无论运用光学显微镜还是拉曼散射光谱技术都不易识别;另一方面在可见光波段，光与石墨烯的相互作用比较弱，光垂直入射到石墨烯表面时，将使得石墨烯载流子发生带间跃迁到导带，表现为石墨烯具有一定的光导率。而石墨烯的光吸收率由光导的实部决定，实验测量其为常数值——2.3％，这极大限制了石墨烯在光电探测器件中的应用。因此，如何增强石墨烯在可见光波段的吸收率具有极其重要的研究意义。可以看到，增强石墨烯载流子的带间跃迁是增强石墨烯光吸收的关键。现有的解决方案运用纳米金颗粒阵列、纳米金洞阵列等金属结构中支撑的表面等离激元模式来提高石墨烯与光的相互作用。但是，已有的研究均只实现了窄波段光与石墨烯相互作用强度的增强，而未实现石墨烯在可见光波段全波段、大角度的吸收率增强。针对这一问题，本论文进行了相关的实验研究。
　　本论文利用纳米多孔金结构和具有无序结构的纳米银颗粒激发局域表面等离激元，从而在石墨烯表面形成强近场。由于纳米多孔金和纳米银颗粒所缺乏的长程有序性，因此这种场的增强效应将存在于广谱范围内。因此，我们可以在可见光全波段提高石墨烯与光的相互作用，实现了石墨烯的吸收率增强及石墨烯表面增强拉曼信号。

目录

摘要

英文摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 石墨烯的基本结构和性质

1．3 石墨烯的应用和未来前景

1．3．1 石墨烯的应用

1．3．2 石墨烯的未来前景

1．4 石墨烯光电转换器件应用存在的问题

1．5 表面等离激元

1．5．1 纳米金颗粒-石墨烯

1．5．2 纳米金团簇-石墨烯

1．5．3 纳米金洞阵列-石墨烯

1．6 本论文主要研究的研究内容

第二章 金属微纳结构制备和测试方法

2．1 金属微纳结构制备方法

2．1．1 干法刻蚀技术

2．1．2 电化学刻蚀技术

2．1．3 湿法刻蚀技术

2．1．4 磁控溅射技术

2．2 金属微纳结构制备过程

2．2．1 衬底的选择和处理

2．2．2 石墨烯的转移

2．3 金属微纳结构的测试方法

2．3．1 金属微纳结构表征

2．3．2 金属微纳结构的微光光谱

2．3．3 金属微纳结构角分辨光谱的测量

2．3．4 金属微纳结构-石墨烯拉曼光谱测量

第三章 纳米多孔金制备及光学性能研究

3．1 引言

3．2 纳米多孔金制备和表征

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 刻蚀时间对NPG薄膜的影响

3．3．2 NPG薄膜结构分析

3．3．4 石墨烯转移至NPG薄膜上

3．3．5 NPG薄膜对石墨烯吸收率影响

3．3．6 NPG薄膜对石墨烯拉曼光谱影响

3．4 本章小结

第四章 纳米银颗粒制备及光学性能研究

4．1 引言

4．2 纳米银颗粒制备和表征

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 溅射时间对纳米银颗粒尺寸的影响

4．3．2 纳米银颗粒局域表面等离激元表征

4．3．4 纳米银颗粒对环境的鉴别

4．3．5 纳米银颗粒结构分析

4．3．6 石墨烯转移至纳米银颗粒上

4．3．7 纳米银颗粒对石墨烯吸收率影响

4．3．8 纳米银颗粒对石墨烯拉曼光谱影响

4．4 本章总结

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果

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