基于石墨烯的新型波导和可调微纳光器件的研究

发布时间：2020-09-29 19:10

　　石墨烯是一种二维单层超材料,由碳原子以蜂巢状排列密布而成。石墨烯因具有众多独一无二的特性,深受专家学者的热切关注,被认为是划时代的新型材料。石墨烯在红外波段的电磁特性类似于金属,能够支持表面等离激元的传播,表面等离激元可以突破固有衍射极限,实现超高分辨率的光学成像及超高精度的光刻技术。石墨烯相比于传统的贵金属表面等离激元材料,可以获得更小的传输损耗,实现更长的传播长度,同时对传输模式电磁场有更强的束缚能力。利用石墨烯的表面电导可调谐性,石墨烯表面等离激元能够超越光电器件的几何结构限制,实现偏置电压对器件电磁响应的调节功能,扩展石墨烯器件的应用范围。本文提出了多种新型石墨烯光器件,并通过几何建模和数值仿真对其进行理论研究和性能分析。论文的主要研究成果以及创新点简述如下:1.提出了一种石墨烯多层纳米线波导,此波导由石墨烯和介质层相互包裹构成,具有超高的模式有效折射率,对光场具有很强的束缚作用,能够很好地控制表面等离激元在波导内部传输。石墨烯多层纳米线波导支持多个无截止的传输模式,可以在小体积下依然实现多模传输,有利于应用在传感领域。通过调节石墨烯费米能级可以改变波导的传输模式特性,实现石墨烯波导突破结构限制的可调谐性。2.提出了一种小有效模场面积的石墨烯方形波导,此波导几何尺寸在微纳量级,很适合应用在高集成度的光芯片中。当石墨烯方形波导工作频率大于20.8 THz时,波导中表面等离激元的传播长度优于同尺寸的纳米线波导,同时归一化有效模场面积大小在10-5量级,比纳米线波导归一化有效模场面积小2个数量级。3.提出了一种基于石墨烯纳米带阵列和石墨烯薄片的单频带石墨烯吸收器,其吸收率极高且结构简单。通过数值仿真,在吸收谱中频率为10.9 THz处,可以得到一个近乎完美的吸收峰,吸收率可达99.5%。通过调整单频带石墨烯吸收器的几何结构参数,对吸收器的性能进行了进一步的分析。根据性能分析结果优化吸收器的结构参数,将吸收器的吸收峰调整到了太赫兹波段,在频率为6.15 THz时获得了吸收率为99.9%的吸收峰。另外,使用偏置电压可以实现对单频带石墨烯吸收器吸收峰的调节功能,证明了单频带石墨烯吸收器能够适用于多种应用环境。4.提出了一种新型的双频带石墨烯吸收器,吸收器两个吸收峰的频率分别为4.95 THz和9.2 THz,两个吸收峰的峰值分别高达99.8%和99.6%。深入分析了双频带石墨烯吸收器结构参数和吸收性能之间的关系,进一步讨论了入射角度偏差对双频带石墨烯吸收器吸收效率的影响,验证了该吸收器具有很好的入射角度偏差容忍性。5.提出了一种石墨烯双层波导对场增强器,利用石墨烯双层波导之间的耦合原理,将场增强器中传输的表面等离激元能量集中在两个双层波导之间极小的狭缝中,实现了区域的场增强效应。石墨烯双层波导对场增强器的场增强因子可以达到108,比之前报道的单层石墨烯波导对场增强器的场增强因子107大一个数量级,同时将其与金属的双层波导对进行对比,证实了石墨烯双层波导对的场增强效果明显优于金属双层波导对。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ127.11;TN256
【部分图文】：

石墨,六边形,碳原子,柱状

石墨烯是碳原子以蜂巢状排列构成（左上），石墨是由石墨烯堆叠形由石墨烯卷曲成柱状形成（左下），富勒烯（Ｃ６0）是由六边形晶格的五边形构型包覆形成的分子结构（右下）［２３１。逡逑１－２邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋（ｔｏｐ邋ｌｅｆｔ）邋ｉｓ邋ａ邋ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ邋ｌａｔｔｉｃｅ邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｎ邋ａｔｏｍｓ．邋Ｇｒａｐｈｉｔｅ邋（ｔ邋ａｓ邋ａ邋ｓｔａｃｋ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｌａｙｅｒｓ．邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｌｅｆｔ）邋ａｒｅ邋ｒｏｌｌｅｄ－ｕｐ邋ｃｅｎｅ．邋Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｒｉｇｈｔ）邋ａｒｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ邋ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ｗｒａｐｐｅｄ邋ｇｒａｐｈｅｎｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｎｔａｇｏｎｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｈｅｘａｇｏｎａｌ邋ｌａｔｔｉｃｅ１２邋’】．逡逑在光学响应方面也具有独特特性，石墨烯的光学特性可以。２００８年Ｆ．邋Ｗａｎｇ等人发现石墨烯具有很强的带间跃迁［２４］，大幅调整石墨烯的光跃迁。由于传统金属晶体结构的原因，能够提供可调性。石墨烯可以通过偏置电压实现带隙调节，了设计和优化器件所需的灵活性。２００９年Ｙ．邋Ｚｈａｎｇ等人使用石墨烯电子带隙宽范围可调节的实验［２５］，使用偏置电压可以范围高达２５０邋ｍｅＶ。石墨烯的光跃迁和双层石墨烯的层间依通过偏置电压进行调节，这种可调节特性会在红外光学和光

石墨,价格趋势,成品质量,方法

＇？蠢■■逡逑图１－２石墨烯是碳原子以蜂巢状排列构成（左上），石墨是由石墨烯堆叠形成（右上），逡逑碳纳米管是由石墨烯卷曲成柱状形成（左下），富勒烯（Ｃ６0）是由六边形晶格的石墨烯转变为逡逑五边形构型包覆形成的分子结构（右下）［２３１。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋（ｔｏｐ邋ｌｅｆｔ）邋ｉｓ邋ａ邋ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ邋ｌａｔｔｉｃｅ邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｎ邋ａｔｏｍｓ．邋Ｇｒａｐｈｉｔｅ邋（ｔｏｐ邋ｒｉｇｈｔ）邋ｃａｎ逡逑ｂｅ邋ｖｉｅｗｅｄ邋ａｓ邋ａ邋ｓｔａｃｋ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｌａｙｅｒｓ．邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｌｅｆｔ）邋ａｒｅ邋ｒｏｌｌｅｄ－ｕｐ邋ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ邋ｏｆ逡逑ｇｒａｐｈｅｎｅ．邋Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｒｉｇｈｔ）邋ａｒｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ邋ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ｗｒａｐｐｅｄ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｂｙ邋ｔｈｅ逡逑ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｎｔａｇｏｎｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｈｅｘａｇｏｎａｌ邋ｌａｔｔｉｃｅ１２邋’】．逡逑石墨烯在光学响应方面也具有独特特性，石墨烯的光学特性可以通过偏置电逡逑压进行调节。２００８年Ｆ．邋Ｗａｎｇ等人发现石墨烯具有很强的带间跃迁［２４］，通过偏置逡逑电压可以大幅调整石墨烯的光跃迁。由于传统金属晶体结构的原因，其带隙是固逡逑定的，不能够提供可调性。石墨烯可以通过偏置电压实现带隙调节，这一特性极逡逑大地满足了设计和优化器件所需的灵活性。２００９年Ｙ．邋Ｚｈａｎｇ等人使用偏置电压实逡逑现了双层石墨烯电子带隙宽范围可调节的实验［２５］

工艺图,石墨,生长法,法制

【相似文献】