石墨烯表面等离激元的激发与调控研究

发布时间：2020-05-10 18:55

【摘要】：被视为二十一世界超级材料的石墨烯,因其二维结构特征和零带隙的能带结构,受到了光学、电学等诸多领域科学家的关注。掺杂后的石墨烯能带结构发生变化,允许表面等离激元的激发和传播,因而为实现光与物质的强相互作用提供了不可替代的平台。由于石墨烯上激发的表面等离激元拥有高度的动态可调性、极强的能量局域性、和中红外波段的低损耗特性,被广泛用于介质生物传感、非线性光学、慢光等。但是,由于石墨烯中表面等离激元波矢和入射光波矢严重不匹配,如何有效激发石墨烯表面等离激元一直是研究的热点问题。本文将讨论如何通过光栅结构有效地激发石墨烯表面等离激元,以及如何实现对表面等离激元共振模式的调控。本文主要研究内容如下:(1)通过机械振动方式使石墨烯纳米带形成二维平面光栅结构激发表面等离激元。这种二维光栅结构的石墨烯纳米带允许垂直纳米带极化的入射光激发两种新的模式:能够将能量局域在光栅波峰位置处的峰模式,以及将能量局域在光栅波谷位置处的谷模式。我们通过仿真和理论分析的方式证明这两种模式的的激发和可调性。最后证明这样的二维纳米带光栅结构能为将来实现宽工作频域和高度可调性的石墨烯微纳表面等离激元器件提供可能。(2)通过将石墨烯纳米带设计为正弦曲线弯曲的二维平面光栅结构,平行于纳米带极化的入射光能够激发石墨烯表面等离激元。这样的光栅结构不仅允许我们通过设计不同的纳米带宽度和周期,正弦型光栅幅度和周期等几何结构参数来调控表面等离激元,同时还可以通过改变石墨烯的费米能来实现对所激发的表面等离激元的动态调控。此外,还对这一类型的光栅结构透射谱线所具有的高品质因子的特性以及相关机理进行分析。利用波矢匹配公式很好地解释了模拟所得到的结果。论证此结构可用于设计二维结构的表面等离激元超窄带滤波器,介质传感器等基于石墨烯表面等离激元的微纳器件。(3)通过将石墨烯纳米带完全覆盖于介质纳米线表面形成石墨烯纳米管阵列来激发表面等离激元。通过数值模拟和理论方法验证和分析所激发的表面等离激元特性,推导具有一般普适性的表面等离激元共振频率公式。论证纳米管阵列结构允许通过改变纳米管半径和周期几何参数,以及石墨烯费米能和周围介质折射率电学相关参数来实现对表面等离激元的调控。最后对比分析了石墨烯纳米带和纳米管对于表面等离激元能量的不同局域方式以及原因。研究石墨烯纳米管阵列在表面等离激元滤波器,介质传感器等光电器件中的潜在应用。(4)通过将正弦型介质超表面放置于石墨烯两侧来激发表面等离激元。利用变换光学的思想解释表面等离激元的激发,并同模拟计算结果对比。论证通过介质超表面的几何参数来实现表面等离激元的调控。分析并对比将介质超表面分别置于石墨烯之上和之下的情形对介质传感灵敏度的影响,发现介质传感区域电场强度越强,介质传感越灵敏。最后讨论介质超表面石墨烯光栅结构用于高灵敏度的介质传感器的特性和可行性。
【图文】：

中观,现象

粒子性的认识基础。而惠更斯提出的光的波动学说，后来很好的解释了光的干和衍射现象，确立了公认的光的波动性。而现代光学根据量子场论得出的结论是光同时具有波粒二象性。1.1.1 伍德异常随着近现代加工和观测技术的进步，，在微纳尺度领域出现了一些难以解释现象。比如 1902 年美国天文学家伍德（Wood）利用白炽灯连续照射一个周期光栅时，发现衍射图样在特定条件下会出现一些明暗条纹的奇特现象[4]，如图 1所示。进一步研究发现这种衍射只在 p 型偏振（即入射光电场分量的偏振方向行于入射光、反射光和法线共同决定的面）光照射时才出现。当时，因为基于栅的电磁理论尚处于萌芽时期，对这一异常现象几乎无法解释。这一光的奇异射现象后来被称为伍德异常（Wood’s anomalies），它被视作二十世纪发现的最人惊叹的光学现象之一[5]。

散射效率,结果对比

光波长的位置并非是在发生掠射的波长的位置[11]。法诺认为这种异常衍射似乎光栅结构产生的一种与“消逝波”相关的“被胁迫的振动”所产生。换句话讲法诺认为异常光衍射是由一种被光栅激发而沿着光栅表面传播的表面波所引起法诺所引入的“表面波”这一概念被视作理论上的一大突破，并且开启了现代光对于伍德异常解释的新篇章。这一理论解释也被很多物理学家，比如 Hessel Oliner 等所认同[12]。同时，Pines 和 Bohm 通过总结分析高速电子通过薄片时能量损耗机理，提出电子集体行为的概念来解释[13,14]，并且发现这种集体行为振动频率可以表示为20 0 ne m ，其中，n 和 m 分别是电子密度和质量，0 真空介电常数。这一共振频率很快就被 Ritchie 的数值模拟结论[15]和 Powell 等的实验结果所证实[16]。基于前人的工作，在 1960 年，Stern 和 Ferrell 在研究材料表面相关的简并电子气体行为时，首次将这种金属表面载流子的集体共振为命名为表面等离激元（SPs - surface plasmons）[17]。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71

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