全内反射下应力对石墨烯光学性质的调控

摘要

作为一种超薄的而且仅有单原子层厚度的二维纳米材料，自2004年在实验室通过机械剥离法获得以来，石墨烯掀起了广大科研工作者的研究热潮。由于石墨烯太薄仅有单原子层厚度，因此它的化学性质、电学性质、热学性质、机械性质以及光学性质等容易受到外在技术的调控，比如说掺杂技术、表面晶格缺陷技术和应力技术等。这些调控方法中应力调控最受科研人员的喜爱，一方面石墨烯是至今发现的机械性能最好的二维纳米材料，最大拉伸强度高达30％，使应力调控成为可能；另一方面，应力调控可以准确的进行重复性操作，能精确的调控石墨烯的各种性质。
　　近年来石墨烯在光电探测器、传感器和光伏器件等领域有着非常重要的应用，然而单层石墨烯在可见光波段内的光学吸收率是一个常数πα2.3%（依赖于结构常数α），光与石墨烯的相互作用很弱，使其应用受到了限制。
　　我们结合应力调控手段和全内反射结构研究了全内反射下应力对大面积CVD石墨烯的光学吸收率的调控方法，极大地提高了石墨烯的光学吸收率。本论文的主要内容如下：
　　第一，总结了石墨烯的制备方法及其表征手段，介绍了石墨烯在光电器件上的主要应用，并且阐述了本论文的研究意义。
　　第二，研究直接透射下应力对石墨烯光学性质的调控。在一定大小的应力下，石墨烯的带隙能够被打开，而且石墨烯拉曼光谱的G峰和2D峰会产生红移或蓝移；应力会使石墨烯产生各向异性，改变石墨烯的电导系数和光学透过率；光学吸收率随入射角的变化受到外加应力的周期性调控。
　　第三，研究全内反射结构下石墨烯的光学吸收率。理论计算了光透过多层介质的透射率和反射率；模拟了全内反射结构下石墨烯对 TE波和 TM波的光学吸收率。
　　第四，研究全内反射下应力对大面积 CVD石墨烯的光学性质调控。实验结果表明，通过控制石墨烯被拉伸的方向可以分别实现对 TE波和 TM波光学吸收率的单独调控；极大地增强了光与石墨烯的相互作用，相同的拉力时全内反射下石墨烯光学吸收率提高的幅度是直接透射下提高幅度最大值的三倍；石墨烯吸收率的提高幅度有很强的层数依赖性，相同拉力时双层石墨烯光学吸收率的提高幅度要大于单层石墨烯的。

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第一章 绪论

第一节 引言

第二节 石墨烯的制备方法及其表征技术

第三节 石墨烯在光电子器件上的应用

第四节 本论文的主要内容与研究意义

第二章 透射下应力对石墨烯光学性质的调控

第一节 应力调控下石墨烯的带宽和拉曼光谱

第二节 应力调控石墨烯光学性质的理论分析

第三节 透射下应力对大面积CVD石墨烯透射率的调控

第四节 小结

第三章 全内反射结构下石墨烯的光学吸收率

第一节 光透过多层介质的理论分析

第二节 全内反射下石墨烯的光学吸收率

第三节 小结

第四章 全内反射下应力对石墨烯光学吸收的调控

第一节 样品准备

第二节 光路设计和测量方法

第三节 实验结果的分析

第四节 小结

第五章 总结和展望

参考文献

致谢

个人简历以及在学期间发表的学术论文与研究成果