基于石墨烯的表面等离激元晶体的研究

发布时间：2020-07-15 20:30

【摘要】：光子晶体(Photonic Crystal,PhCs)是一种介电常数呈空间周期性变化的新型光学微结构,由于其出色的波操控能力和在光通信、传感等领域的潜在应用价值,近年来一直备受关注。最近,研究者们对PhCs的能带的拓扑效应的探索更是革新了人们对PhCs的认识,量子霍尔效应(Quantum Hall Effect,QHE)、量子自旋霍尔效应(Quantum Spin Hall Effect,QSHE)以及拓扑绝缘体(Topological Insulator,TI)等一系列经典物理现象得以在光子学领域实现。然而,传统的基于介质结构的PhCs因为受到光学衍射极限的制约,无法进一步尺寸微小化,限制了传统光学技术的进一步发展。表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)可以突破衍射极限,将光场限制在深纳米量级,实现光学器件的高密度片上集成。而相比于传统的等离激元材料(如金、银等),石墨烯所支持的SPPs,具有相对低的欧姆损耗、空间限制高以及灵活的可调谐性等优良性质。本论文利用石墨烯构造二维(2 Dimension,2-D)表面等离激元晶体,通过设计不同晶格结构来实现狄拉克(Dirac)、类狄拉克(Dirac-like)和双狄拉克(Double Dirac)锥形色散关系,对石墨烯表面等离激元晶体(Graphene Plasmonic Crystal,GPCs)中的能带拓扑效应和零折射率特性展开了详细地讨论。主要研究工作和成果如下:1、构造了2-D蜂窝晶格GPCs,利用有限元方法数值计算了它们的能带结构,在中红外频率范围,实现了位于布里渊区(Brillouin Zone,BZ)边界K点的双重简并狄拉克锥,通过破坏晶格空间反演对称性(a:调节石墨烯纳米盘的化学势;b:调节石墨烯纳米盘的半径)将K点的狄拉克锥打开,获得了带宽达3.2THz的拓扑带隙。狄拉克锥打开后,在K点形成两个极化方向完全相反(左圆极化和右圆极化)的谷手征态,通过数值仿真模拟,我们利用圆极化面内磁场源实现了谷手征态的选择性激发,并在带隙内实现了拓扑谷边界输运。2、构造了2-D蜂窝晶格GPCs,通过能带折叠理论,将位于BZ边界K/K`点的双重简并狄拉克锥重叠到BZ中心Г点形成四重简并的双狄拉克锥,通过缩小或扩大元胞内石墨烯纳米盘的间距,将双狄拉克锥打开,获得了拓扑平庸/非平庸带隙,进而利用平庸和非平庸GPCs产生传播于其边界的赝自旋态,在中红外频率范围,实现了赝自旋依赖的单向边界传输。3、构造了2-D三角晶格GPCs,利用有限元方法数值计算了它们的能带结构,对其模式特性进行了分析,通过调节石墨烯纳米盘的半径,在中红外频率范围,实现了位于BZ中心Г点的三重偶然简并(Accidental Degeneracy)类狄拉克锥。利用Bloch模式的平均场方法,数值计算了类狄拉克点附近的有效介电常数和有效磁导率,通过构造并数值仿真模拟了隐身、聚焦、单向传输等应用,进一步证明了GPCs中类狄拉克点附近的零折射率特性。
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71
【图文】：

示意图,光子晶体,空间结构,示意图

研究背景与意义光子晶体（Photonic Crystal）最早于 1987 年由 Yablonovich 和 John 分抑制自发辐射和光子局域时提出[1, 2]，是一种介电常数呈空间周期性变光学微结构, 根据空间结构，光子晶体可以分为一维（1 Dimension，晶体、二维（2 Dimension，2-D）光子晶体和三维（3 Dimension，3-体三类，如图 1.1 所示[3]。类似于固体材料，由于周期性势场作用产生，光子晶体中也存在由空间周期性调谐的介电常数引起的光子otonic Band Gap，PBG），处于带隙频率范围内的光是被禁止传播的[子晶体被提出以来，科研工作者们就致力于将光子晶体应用于光子集光纤通信等光学领域。近年来，基于光子晶体的应用研究已经取得了果，大量关于光子晶体的研究被报道，如光子晶体光纤[5]、光子晶体子晶体微腔等[8, 9]。最近，研究者们对能带拓扑效应的探索更是革新光子晶体的认识，激起了研究光子晶体拓扑态的热潮，也为实现光类拓扑量子效应提供了经典波平台。

示意图,霍尔效应,示意图,光量子

如图1.2 所示，用于破坏时间反演对称性的旋磁材料为钒掺杂的钙铁榴石圆柱[14]。通过施加直流外磁场（0.20 T），当频率为 4.5 GHz 左右时，手性边界态的正向传播和反向传播的幅值比大于 50 dB，它具有完美的缺陷免疫能力和拓扑稳健性，可以绕过障碍物实现单向传播。磁响应的频率较低，通常局限在微波波段（旋电材料最多到红外波段），这导致以旋磁材料为基础实现的光量子霍尔效应，难以应用在红外乃至可见光频段。2011 年，美国马里兰大学 Hafezzi 等人提出，利用耦合谐振腔光波导网络构造光量子霍尔系统，实现了量子霍尔效应（QuantumHall Effect, QHE）和量子自旋霍尔效应（Quantum Spin Hall Effect, QSHE）的光子学类比[15]，并随后（2013 年）在实验上以两个格点上的共振耦合微腔（环形波导共振腔）的方向耦合为基础

光子晶体,中谷,拓扑,输运

（a）谷光子晶体的 3-D 能带结构；（b）谷光子晶体中谷态的涡旋属性；光子晶体中的拓扑谷输运[18]的空间反演对称性（Spatial Inversion Symmetry, SIS），即使在拓扑体中也能观察到光谷霍尔效应（Photonic Valley Hall Effect, PVHE）体的谷自由度，他们进一步实现了拓扑谷输运以及谷涡旋态的选图 1.3 所示。随后，Gao 等人首次通过实验证明了谷光子晶体中谷稳健性，以及谷锁定的分束效应[19]。在谷光子晶体中，由于受到用，不会发生谷间散射，拓扑模式和自由空间模式之间具有极高有望在定向天线、激光器等实际应用中发挥重要作用。子晶体中存在一种拓扑非平庸的奇点，在奇点附近的光子能带是线学狄拉克锥（Dirac Cone）。光学狄拉克锥与众多科学和应用领域零折射率（Zero Refractive Index）、拓扑光子学、位相调控、隐身等年，香港科技大学陈子亭教授课题组在《自然材料》杂志上首次报拉克锥（Dirac-like Cone）型色散关系的全介质光子晶体的零折射率

【参考文献】