电介质基底上石墨烯瞬态光学响应的研究

摘要

石墨烯是单层碳原子组成的二维平面半导体材料。石墨烯近线性的能带结构使其具有宽谱带光学性质和高的载流子迁移率，这些优越性质使石墨烯在高速光子及光电子器件方面有着极大的应用价值。目前，石墨烯光电子器件的应用研究是一个热点。石墨烯高速光电子器件的性能同石墨烯的瞬态光学响应相关，因此需要深入研究激发态石墨烯载流子的动力学过程，这对理解光与石墨烯作用的本质是至关重要的。研究中，往往通过时间分辨泵浦-探测差分信号来监测载流子的动力学过程。而分析这些信号，需要计算基底上石墨烯的反射和透射信号。另一方面，为设计合适的高速光电子器件，需要掌握基底上石墨烯层对光的反射、透射和吸收。进而，满足所设计器件性能的要求。所以，分析基底上石墨烯的瞬态光学响应是富有意义的。
　　目前的理论分析没有考虑光源的时域相干性、基底厚度，以及测量构型对结果的影响。为了更好地掌握石墨烯在超快光电子器件上的应用，需要分析基底上石墨烯的瞬态光学响应。本论文提出了一个计算基底上石墨烯瞬态光学响应的普适性理论，为研究其他二维材料（如单层的二硫化钼、六角氮化硼以及黑磷等）的瞬态光学响应提供了理论依据。本论文主要内容如下：
　　1.对超短激光脉冲入射到基底上二维材料的情况，提出了计算超短激光脉冲反射、透射和吸收的多层结构理论。理论中，我们考虑了探测光的时域相干性、入射角、偏振，以及多层结构的层数、厚度等因素对结果的影响，为研究基底上二维材料的光学反射、透射和吸收提供了一种普适的理论框架。
　　2.讨论了多层结构理论在时间分辨泵浦-探测中的两个具体应用：(1)超短脉冲正入射到石墨烯-基底构型时，差分信号的符号对实验构型和探测光入射方向的依赖；(2)任意偏振的超短探测脉冲以任意角度入射到石墨烯-基底构型时的差分信号对入射角和偏振角的依赖关系，在此基础上考察了光激发石墨烯面内、面外消光系数的各向异性。

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第一章 绪论

第一节 引言

第二节 石墨烯的稳态和瞬态光学性质及相关应用

第三节 石墨烯的瞬态光学响应

第四节 本论文的主要研究内容及意义

第二章 二维材料-电介质基底多层结构理论研究

第一节 相干光入射时的多层结构理论

第二节 非相干光入射时的多层结构理论

第三节 小结

第三章 电介质基底上石墨烯的泵浦-探测差分信号的符号研究

第一节 引言

第二节 超短激光脉冲垂直入射时的反射率和透射率

第三节 时间分辨泵浦-探测差分信号

第四节 结果与讨论

第五节 小结

第四章 电介质基底上石墨烯的泵浦-探测差分反射信号的偏振依赖研究

第一节 超短激光脉冲倾斜入射时的反射率和透射率

第二节 时间分辨泵浦-探测差分信号

第三节 Layer4模型与Layer3模型的比较

第四节 基于Layer3模型的基底上石墨烯的泵浦-探测差分反射信号偏振依赖的研究

第五节 小结

第五章 总结与展望

第一节 总结

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历及攻读硕士期间发表的文章