积累电子气对光学性质的调控及其在塔姆结构中的应用

发布时间：2020-05-09 08:54

【摘要】：电子器件已经随处可见,成为人们不可或缺的日常用品。跨入二十一世纪之后,光子学的研究不断的深入,光子技术也得到了极大的发展。然而,相对于较为成熟的电子技术,光子技术自身仍然无法满足人们的需求,致使电子技术和光子技术相结合的呼声越来越强烈。作为电光技术结合中的一个重要研究领域,两相邻材料界面的积累电子气对界面与材料的光学性质的影响也越来越受到研究者的关注。本论文中,我们对体块钾钠铌酸锶钡、氧化铟锡薄膜以及单分子层的石墨烯中的积累电子气进行了研究,探讨了在相关材料界面的电子的积累过程,分析了积累电子气对相关材料的光折变效应、介电常数以及面电导率等性质的影响。我们还推导了适用于超薄层的传输矩阵,同时尝试将积累电子气与塔姆结构相结合,并设计出了相关的光学器件。我们首先研究了体块钾钠铌酸锶钡(KNSBN)晶体在空气/KNSBN界面积累电子气对光折变效应的调控。利用皮安表测量回路电流的方式,估算出了电荷积累层的电荷面密度。通过双光束干涉实验观察到了光折变现象的增强过程,并从光栅读取实验中证实了薄相位光栅在此增强过程中的主导作用。基于实验的结果,分析讨论了光折变现象增强的内部机制,简单介绍了该过程中表面等离激元存在的可能性和相应的激发过程。随后,我们研究了外加电压作用下氧化铟锡(ITO)薄膜与玻璃界面积累电子气对改性层介电常数的调控。利用表面等离激元的激发过程,测量了ITO薄膜中电荷积累层的介电常数实部。实验中通过使用偏离薄膜本征激发频率的808 nm激光,避免了非电荷积累层的影响。通过引入MayadasShatzkes模型分析了电荷积累层厚度对电子弛豫时间的影响,并将积累电子密度、电荷积累层厚度和介电常数实部关联起来,进而通过测得的介电常数实部得出相应电子的积累情况。另外,研究了外电压对电荷积累层介电常数的影响以及电子积累中存在的缓慢变化过程。接下来,我们研究了积累电子气对单层石墨烯面电导率的调控。利用Kubo方程得出了单层石墨烯的面电导率,进而从理论上分析了积累电子气对单层石墨烯面电导率的影响。同时介绍了多层结构的传输矩阵法,并从麦克斯韦方程组出发,推导出超薄层的透射矩阵,降低了超薄层界面模糊产生的误差。进而利用推导的结果计算了积累电子气堆叠结构的光学传输性质,研究了堆叠结构中的带阻现象以及积累电子气浓度对带阻现象的调控,同时探讨了层数、膜厚、入射光的偏振和入射角对积累电子气调控能力的影响。另外,提出了一种特殊情况下的多层结构,该结构具有较好的可见光波段带阻现象,对于电控滤波器件的设计有较高应用价值。最后,我们尝试将积累电子气与塔姆等离激元相结合,利用塔姆等离激元的局域场增强实现积累电子气调控能力的提升,进而根据其表现的光学性质设计了相应的光学器件。将ITO薄膜中的积累电子气和塔姆结构相结合,设计出了在808 nm附近的可调谐完美吸收器,并研究了积累电子面密度、薄膜厚度和入射角对该完美吸收器光学传输性质的影响。同时探讨了该完美吸收器对制备产生的膜厚误差具有自修复的能力,即只需通过改变积累电子气面密度和入射角就可以实现缺陷设备的功能修复。将单层石墨烯中的积累电子气与塔姆结构相结合,设计出了在1550 nm附近的可调谐滤波器,并研究了布拉格光栅周期数以及单层石墨烯与银膜的距离对该滤波器的影响。
【图文】：

电荷积累,电子气,实验结果

第 1 章绪论1.2.2 积累电子气实验上的观测关于积累电子气的研究已经有很长的时间，早在 19 世纪 20 年代，人们便开始了积累电子气的研究。早期积累电子气的研究主要集中在半导体技术，研究的重点主要是积累电子气对半导体材料的电学性质的影响。由于积累电子气在电子技术方面具有巨大的应用价值，，关于积累电子气电学方面的研究一直在持续不断的发展。从最初的硅半导体到氧化物半导体、氮化物半导体、砷化物半导体和有机物半导体，再到最新的石墨烯、MoS2等材料，都被用于这方面的研究中[16-24]。然而，积累电子气光学性质方面的研究起步比较晚，近几年才开始逐渐的发展起来，其中包括实验上的测量和理论的计算。

形貌,电导率,介质,电荷积累

图 1-2. 导电探针测量 BiFeO3/SrTiO3介质介面的电导率[25]iFeO3/SrTiO3介质测切面的原子力显微形貌图；b) 利用导电探针测得的导电流在介质的突变；c) 界面的高分辨率透射电镜图像Fig 1-2. Conductivity of BiFeO3/SrTiO3interface measured by conductive probe[25]Surface topographic image of BiFeO3/SrTiO3interface measured by AFM; b) Nanoscale cuapping at the interface measured by conductive probe; c) High-resolution TEM image of interface2010 年，Feigenbaum 等人从实验上研究了 MOS 结构中氧化铟锡薄膜和界面的电荷积累层的折射率随外电压的变化[24]，如图 1-1 所示。他们利用量了不同外电压下 MOS 结构的相关参数，并将电荷积累层设定为 5.0 n匀层，从而算出了电荷积累层的折射率在可见光波段随外电压的变化关 1-1c)中我们可以发现，电荷积累层折射率的实部随着外电压的升高（即密度的增加）而逐渐变小；电荷积累层折射率的虚部随着外电压的升高
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN03

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