基于石墨烯的紫外陷光结构研究

发布时间：2020-05-29 21:41

【摘要】：作为最具吸引力的二维材料,石墨烯在紫外到太赫兹波段范围的光子学研究中受到了广泛的关注,并推动了高等光学从纳米光子学到埃光子学的发展。石墨烯是一种由蜂窝状有序排列的平面碳原子组成的单原子厚度的二维晶体。由于石墨烯本身具有独特的零带隙电子能带结构,使其在力学、电学和光学等方面表现出优良的性能,这些优异的性能使石墨烯在光电器件应用上具有广阔的前景。而对入射光能量的吸收在光学探测器和光电器件中起着重要的作用,随着制备高品质石墨烯的方法得以实现,使得研究者们在石墨烯优异的光电性能基础上,探索其光捕获能力并将其应用到光电子技术中成为现实。在可见光和红外波段,已经提出了许多基于石墨烯的陷光结构,这些基于石墨烯的陷光结构相比于其他陷光结构存在着很多优势。然而很少有研究将石墨烯的应用范围拓展到紫外波段,但在该波段,对石墨烯陷光结构的研究在紫外线检测、紫外光致发光、拉曼显微镜、化学传感、火焰监测和空间通信等实际应用中很有应用前景,可以基于石墨烯陷光结构开发出高性能的紫外光电器件。而且由于石墨烯在紫外波段内存在着多体效应,在紫外波段内相比可见光和红外波段与入射光存在在更强的相互作用,使其对垂直入射紫外光的吸收率比其他波段要高,但仍未超过10%,这使得该波段的石墨烯光电器件的开发受到一定的限制。本学位论文正是基于上述问题,研究紫外波段内基于石墨烯的陷光结构来增强石墨烯与光的相互作用,从而提高石墨烯对紫外光的吸收率,为设计高性能紫外光电器件打下基础。在本文中研究了三种不同的基于石墨烯的陷光结构。第一种为利用金属表面等离激元结构增强石墨烯紫外吸收,可将石墨烯吸收率提高到43%。该结构无角度依赖性且易于集成为光电器件;第二种为无纳米图案化石墨烯紫外陷光结构,该结构无需在石墨烯表面构建纳米图案阵列,大大降低了加工难度,且将单层石墨烯吸收率提高到了 71.4%;第三种为基于石墨烯的全介质纳米光学完美吸收体,该结构所有部分均使用无耗介质,大大降低了其他材料的能量耗散,使石墨烯的吸收率大大增加,可提高到99%以上。
【图文】：

石墨,布里渊区,色散,晶格结构

置；（Ｂ）布里渊区的Ｋ和Ｋ’点保证了两个非等效谷附近的线性能量色散；（ｃ）石墨烯布里渊区的逡逑电子色散逡逑如图１－２邋（ａ）所示，由于Ａ和Ｂ晶格之间的对称性，石墨烯的导带和价态在逡逑布里渊区Ｋ和Ｋ＇点简并［１４］。这种简并产生了电子条带的线性色散［１４］［１５］。在石墨逡逑烯的两个不等效的谷附近的电子表现为无质量的狄拉克费米子，其速度逡逑ｖＦ？１０８ｃｍｓ＿１［１６Ｋ１７］。由于空间反演和时间反转对称性，Ｋ和Ｋ＇点的电子实际上是逡逑８重简并的［１８］［１９］。这个简并度反映了谷和自旋自由度，以及我们刚刚提到的能带逡逑简并。在Ｋ和Ｋ＇点附近，二维能量色散关系是各向同性的，，称为狄拉克锥网［２１］。逡逑而离两个谷较远的位置，三角翘曲效应改变了石墨烯的二维等能量轮廓。而在离Ｋ逡逑和Ｋ＇点更远处，在Ｍ点的能带结构中存在着奇异鞍点，电子沿着Ｍ－Ｋ方向移动逡逑有着负的能带有效质量而沿着Ｍ－ｒ方向移动有着正的能带有效质量。在ｒ点处，逡逑导带和价带间距很大

石墨,实验理论,光电导率,鞍点

子跃迁到未扰动带的强度和电导率线形的不对称性。从图ｌ－３（ｂ）可以看出，在紫外逡逑范围内，悬浮石墨烯单层的光学透射率高于９１％，而基于有限元法的理论建模得到的逡逑结果与实验测量结果比较吻合。根据图１（ｂ）中的光谱，悬浮石墨烯在紫外波段内的吸逡逑５逡逑
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71; TB3;TN23

【参考文献】