含石墨烯缺陷的光子晶体的光学吸收特性研究

发布时间：2020-11-16 19:07

　　 石墨烯是由碳原子以杂化轨道组成的呈六角型蜂窝状的新型二维材料。石墨烯特殊的晶格结构导致了其奇特的电子能带结构,使其具有许多优良的材料特性,如超高的电子迁移率、优良的导热性、高的力学强度、宽波段光谱吸收、长的载流子寿命等等。因此,石墨烯在光电探测、太阳能电池、传感、生物医学等众多领域呈现出巨大应用价值。由于石墨烯只有单原子厚度且光电导率低,所以在可见光到近红外光范围内,石墨烯在垂直照射的情况下仅吸收2.3%的入射光。石墨烯与光之间的相互作用非常弱,很大程度上限制了其在光电领域的应用前景。因此如何提高石墨烯的光吸收率,进而调控石墨烯对光的吸收,成为了目前石墨烯研究领域的重点。为了提高石墨烯对光的吸收效率,本文建立了三种含有石墨烯缺陷的一维光子晶体模型,利用这种传输矩阵法对所建立的模型在可见光到近红外光范围内的光学特性进行理论计算,并通过软件进行数值模拟。重点研究了模型内部参数和外界条件等因素对三种模型的吸收特性的影响,并分析所得结果出现的原因。研究结果表明:当在光子晶体引入石墨烯缺陷后,形成了微腔结构导致了光的局域化,进而可将石墨烯对可见-近红外光波的吸收可以提高至100%,甚至可实现石墨烯的双频完美吸收,而且可以通过改变相关结构参数、入射角度、外加电压调控石墨烯吸收峰的位置与个数,从而实现人工调控石墨烯光吸收的目的。本文为石墨烯吸收剂研究提供了的理论基础及其应用的设计理念,为其未来在光学探测器、滤波器以及传感器方面的应用提供了指导意义。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O734
【部分图文】：

拥有极高的电子迁移率。来自哥伦比亚大学的ＫｉｒｉｌｌＢｄｏｔｉｎ在室温下迁移率可高达２．５Ｘｌ〇５ｃｍ２／（Ｖ?ｓ），超过硅１００倍以上％。且它的电子受温度的影响。石墨烯还具有超强导电性，在其晶体上施加一个电压），测定石墨烯在室温下的电导率可达１０６Ｓ／ｍ，面电阻约为３１Ｑ／ｓｐ，的材料之一【１３］。除此之外，石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行２ｅ２／ｊ，６ｅ２／々，?１０ｅ２Ｍ…为量子电导的奇数倍，且可以在室温Ｆ观测到。同很高，无比坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上１００倍［１４】。石墨材料，导热性能优异。美国加州大学的科学家Ｂａｌａｎｄｉｎ等人利用微拉下石墨烯的热导率的大小约为５３００?Ｗ／（ｍ＿Ｋｐ５ｌ，在存在基底界面散然可以达到１０００Ｗ／（ｍ?ｌＣ）ｌ１６，１７ｊ。研宄结论表明，石墨烯的热导率非常所发现的材料中最高的，远大于单壁碳纳米管与多壁碳纳米管两者的的散热迅速，使得其在散热材料以及热管理领域极具发展潜力。??

第一章绪论红外和可见光波段具有极佳的光透射性，其透明性与入射光波有线性关系，如图１．２所示ｔ１９ｌ。石墨烯的独特能带结构，使它光，而且柔初性很高，可以用作太阳能电池的透明导电膜，因ＦＴＯ）和氧化铟锡（ＩＴＯ）脆性缺陷和资源稀缺等问题，此外，作为液晶设备、超级电容器的电极材料ｌ２Ｇ］。相对于传统的半导墨烯薄膜具有更低的饱和强度和更高的光载流子密度，这就表外光范围内的照射下非常容易达到饱和，它的这一性质使其可饱和吸收体，从而产生超快激光｜２Ｇ１。??

图１．４石墨烯在不同情况下的光吸收率??最近有研究表明，石墨烯和等离子体激元结构的组合可以改善石墨烯基光电探测器??的性能１２４—２＇?２０１３年，Ｍａｈｄｉｅｈ等人设计了如图１．３所示的金属纳米结构来提高石墨烯??的光吸收效率［２８】。图中黄色部分是侧面为梯形间隔相等的金薄条，Ｐ表示薄条的间隔周??期，ｇ是梯形斜边顶端到竖直方向的距离，ｗ和／？分别表示梯形的宽度和高度。淡粉色??部分是六角氮化硼（ｈｅｘａｇｏｎａｌ－Ｂｏｒｏｎ?Ｎｉｔｒｉｄｅ，?ｈ－ＢＮ），灰色部分为单层石墨？，厚度为０．３４??ｎｍ，白色部分是二氧化硅衬底。在金薄条和石墨烯之间以及二氧化硅衬底和石墨烯之间??分别加入厚度为１?ｎｍ和２?ｎｍ的ｈ－ＢＮ，作为电子隧道势垒，防止载流子在石墨烯和金??属间的迁移，从而降低器件的高量子效率。现有的研究基本都选用金（Ａｕ）这种贵金属，??５??
【参考文献】

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本文编号：2886552