二维原子晶体中的光束位移研究

发布时间：2020-05-22 17:38

【摘要】：石墨烯是一种独特的二维原子晶体,它是由单一原子层或几个原子层构成的超薄晶体。由于其优异的电子和光学性能,在未来的高科技领域,尤其是光子和光电器件中,有许多潜在的应用价值。自2004年问世以来,石墨烯已成为最典型和最具有代表性的新型纳米材料之一,并在全球范围内引发了研究石墨烯的热潮。价带和导带之间的精确重叠是石墨烯的一个显著特征。石墨烯的价带和导带相交于费米能级处,即形成所谓的狄拉克锥结构。它是能隙为零的半导体,为目前已发现电阻率最小的材料。其接近量子极限的最小电导率为观察异常量子霍尔效应提供了可能性。同时,它的光反射率、透射率和吸收率由精细结构常数确定。极小的吸收率使得它在近红外到可见光的光谱范围内几乎透明。当一束空间受限的线偏振光在两种不同介质界面发生反射与折射时,不同偏振态的光子沿垂直于折射率梯度的相反方向发生偏移,导致光束分裂为两束具有不同偏振态的分量。平行和垂直于入射平面的位移分别称为古斯-汉森位移和光子自旋霍尔效应位移。由于古斯-汉森位移和光子自旋霍尔效应位移的本征态不同,研究石墨烯表面的光束位移,可以探究偏振态对光束位移的影响并加深对光的自旋-轨道相互作用的理解。同时,古斯-汉森位移和光子自旋霍尔效应位移对石墨烯的光学常数异常敏感,尤其是在布儒斯特角附近。这为表征石墨烯的物理和光学特性提供着一种简单有效的替代方案。本论文首先研究光束位移的内在物理机制,进而通过光束位移来表征石墨烯的光学常数与物理厚度。最后,系统研究了不同模型中石墨烯的光束位移。相关的研究工作具体如下:1.利用弱测量技术观测了全内反射中的微小偏振旋转率。当一束偏振光经过介质表面发生反射时,光的偏振态会发生微小的旋转,这种偏振旋转导致了几何相位的出现并产生了光子自旋霍尔效应。在部分反射中,偏振旋转只出现在动量空间中,动量空间中的偏振旋转引起位置空间的自旋分裂。而在全反射中,动量空间和位置空间中都出现了偏振旋转。动量空间中的偏振旋转引起位置空间的自旋分裂(空间位移),同时,位置空间中的偏振旋转引起动量空间的自旋分裂(角位移)。由于产生的偏振旋转率非常小,我们利用量子弱测量技术来对其进行观测。在部分反射的情况下,我们只需要通过弱值放大将动量空间中的偏振旋转放大观察。而在全反射的情况下,我们分别放大动量空间和位置空间的偏振旋转,从而观测全内反射中的微小偏振旋转率。通过研究全内反射中的微小偏振旋转率,我们能更好地理解光子自旋霍尔效应和光的自旋-轨道耦合相互作用。2.精确测量空气-棱镜界面上的石墨烯层数。当一束偏振态为H偏振的空间光经过介质表面反射后,反射光会出现对称的双峰结构。这是由于入射光中心波矢附近的偏振分量满足布儒斯特定律,从而引起了光束发散。由于这种光束发散效应与赝布儒斯特角密切相关,我们可以通过它来表征石墨烯的光学常数。同时,我们发现,随着石墨烯层数的增加,它的赝布儒斯特角也随之近似线性增加。因此,赝布儒斯特角就像石墨烯的身份证号码一样,把不同层数的石墨烯区分出来。由于会产生交叉偏振效应,当一束H偏振的空间光经过介质表面反射时,反射偏振光中会出现一个微小的V偏振光并干扰双峰结构。通过格兰激光偏振器过滤掉交叉偏振分量,就能清楚地观察到,双峰结构在赝布儒斯特角出现并在附近迅速消失。值得注意的是,不同层数的石墨烯中,双峰结构出现在不同的入射角。本方案为识别石墨烯层数提供了一种简单而有效的方法,对今后石墨烯的研究具有重要意义。3.对比研究“零厚度模型”与“板模型”中石墨烯的光束位移。在一般情况下,我们研究石墨烯的光学性质时,将其看成是一块具有有效厚度的均匀平板,即“板模型”。但它没有很好地解释反射光的吸收率和相位演变。因此,通过石墨烯的表面电极化率和表面电导率来表征石墨烯的菲涅尔系数被提了出来,并成功模拟绝大多数实验中的线性光学性质。我们通过研究两种不同模型中的光束位移,探究了表面电极化率和表面电导率在光束位移中所扮演的角色。我们发现,表面电极化率和表面电导率一起决定了古斯-汉森位移的空间位移。空间位移的方向取决于表面电极化率,大小取决于表面电导率。不同的是,古斯-汉森位移的角位移只与表面电极化率相关。在光子自旋霍尔效应中恰恰相反,空间位移只与表面电极化率相关,而角位移与表面电极化率和表面电导率都相关。此外,我们发现两种模型的本质区别在于,“板模型”没有很好地反映石墨烯中表面电极化率的作用。但是,这并不表示不考虑表面电极化率的作用后,两种模型能够很好地吻合。
【图文】：

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博士学位论文第 1 章绪论1.1 研究背景及意义关于二维材料是否真的存在，科学界一直有争论。早在 1934 年，Landau 和eierls 就提出准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性,在室温环境下会速分解。后来，Mermin 和 Wagner 在理论上进一步证明严格的二维材料是不存的，并在科学界得到了广泛认可。直到 2004 年，来自曼彻斯特大学的 Geim 和ovoselov 两位科学家利用微机械剥离法首次成功分离出稳定的石墨烯[1]，二维料才再次进入人们的视野。后来又陆续发现了一些其他的二维材料，如氮化硼BN）、二硫化钼（MoS2）。

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墨烯也是人类至今发现的厚度最薄、最强韧的材料[2]，单层石墨烯厚度大约 0.34米，约为头发丝直径的二十万分之一。单层原子结构使石墨烯几乎呈透明状态，光的吸收率仅有 2. 3%，极小的吸收率使得它在近红外到可见光的光谱范围内乎透明。石墨烯正六边形网格状结构的晶格使其具有很少的缺陷和杂质。电子传输数千原子间距而不散射，而且可避免材料过热，这使得电子在石墨烯中运阻力很小，速度远超过金属和半导体[3]。石墨烯中传输电流的速度达到了光速三百分之一，，比计算机芯片中的硅还要快 100 倍，因而石墨烯晶体管可以比传硅工作更快，尺寸更小。同时，石墨烯的电导率接近量子极限值。对于其它材而言，低的电导率在低温下不可避免地导致金属绝缘，但是这种现象在石墨烯却没有出现。这为观察异常量子霍尔效应提供了可能性[4]。石墨烯的价带和导相交于费米能级处，形成所谓的狄拉克锥结构。两个锥点即狄拉克点，这些点电子各向同性分布。因此，可视石墨烯为半金属或零带隙的半导体。在狄拉克附近，电子能量与波矢成线性关系。由于这些优越的特性，石墨烯已经广泛运于物理、化学、材料、能源、环境等领域。
【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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