基于表面波的石墨烯光吸收增强

发布时间：2020-03-18 14:26

【摘要】：新型二维材料石墨烯拥有独特的能带结构及优异的光学和电学性质,使其在光电子领域应用中备受瞩目。然而单层石墨烯材料2.3%的吸收率是限制其光电器件响应度及应用的主要因素之一。目前已有的陷光结构,如表面等离子微纳结构、微腔结构及超材料,能够有效提高石墨烯吸收率及光电响应度,但大多伴有金属吸收损耗或复杂的制作工艺。本文将针对石墨烯吸收率低的问题提出新的光子学解决方案,通过调控光学表面波实现单层石墨烯完美光吸收,并将其应用于折射率传感,本论文主要工作概括如下:1、首先介绍了本研究中运用的理论计算方法:传输矩阵法与导纳图法(包括电磁场计算方法、导纳图运算方法、导纳轨迹方程、等效相位厚度等高线方程、反射相位等高线方程以及等反射率圆方程),并根据磁场平行分量边界条件,将石墨烯材料视为理想的无厚度二维材料引入传输矩阵计算中。随后求解了半无限大平面界面模型激发表面电磁波的条件与光子晶体能带结构。最后,在前人的研究基础上,通过导纳图及虚拟谐振腔模型探索半无限光子晶体的布洛赫表面波(BSW)激发与ESW起源,推导ESW激发的导纳匹配条件,为后续研究建立理论基础。2、结合二维材料与BSW,将石墨烯置于7层介质薄膜与耦合棱镜构成的BSW器件表面,通过表面附近电场增强实现了单层石墨烯(~0.34 nm)在1310 nm处的完美吸收。该器件采用介质薄膜构成一维平面系统,即能降低器件制作的复杂度与成本,同时又避免了金属吸收损耗。根据BSW激发以及实现零反射率的两个导纳匹配条件,本研究提出正向与反向计算的导纳图,并得到适用于表面波-石墨烯完美吸收器的导纳匹配条件和器件设计方法,该方法避免了繁琐的扫描过程,可任意选择石墨烯完美吸收器的结构参数作为未知变量,能快速实现完美吸收。另外,通过各结构参数与材料参数对石墨烯吸收率的影响,借助虚拟腔势垒模型及导纳图,进一步探索了BSW-石墨烯完美吸收器的工作原理。最后,应用上述结论,突破结构周期限制,利用非周期介质膜系激发类似于BSW的表面电磁波,并实现了石墨烯完美吸收。3、鉴于BSW的电场局域增强特性及石墨烯在生物传感方面的优势,本研究将BSW-石墨烯完美吸收器应用于折射率传感,分别计算了其角度及波长传感性能。随后,结合一阶微扰理论分析入射条件、结构参数及吸收损耗对电场分布及波长传感性能的影响。通过理论计算验证了石墨烯-BSW器件的高传感性能,其波长传感灵敏度及品质因数可达7023 nm/RIU及196.44。BSW器件的吸收损耗对器件设计、反射谱形状及传感性能有较大影响,低吸收损耗器件可实现高电场增强,但同时也将增加光子晶体周期对数及器件的制作难度。本文提出的基于ESW的石墨烯完美吸收器通过电场增强实现完美吸收,相比于基于SPP的陷光机制,有效降低了器件的制作难度,且更易于集成。平面纯介质表面波系统或为低成本和高性能的二维器件应用提供有价值的方案。另一方面,相比于高吸收损耗的金属-BSW器件,石墨烯-BSW器件表现出更高的电场增强及传感性能。通过调节吸收损耗实现BSW器件的强电场束缚/增强,或为BSW器件在非线性增强、荧光增强和传感等领域的应用与设计提供参考。
【图文】：

石墨,电子云,结构示意图

影响着经济的发展、军事技术的提升以尔定律基本预言了集成电路中晶体管数程师 RobertDennard，在上世纪七十年加一倍，对应的计算机运行速度也将提受漏电和发热的影响，缩小到一定程度性能不断接近极限，其发展速度也随之从最初一年一次的集成度翻倍延长至两 nm，而到 2015 年制程缩短至 14 nm，本身的角度考虑，缩小器件体积也是极组成，利用其能带结构实现开关效应。量级，若继续减薄半导体材料的厚度，材硅基器件的发展已基本达到极限。

原理图,光电响应度,光电探测器,原理图

于表面波的石墨烯光吸收增强第一章绪关需要突破[15]。另一方面，石墨烯的超高载流子迁移率和独特的光学性质也为光电探测器和光制器等光电器件带来了新的机遇。2009 年，夏丰年等人制出了世界上第一个石光电探测器，测得 0.5 mA/W 的响应度，如图 1.2(a)所示[25]。传统的半导体光电在红外波段的应用受制于半导体材料的截止波长，而石墨烯的零带隙能带结构使 300 2500 nm 具有平坦的吸收谱（吸收率约为 2.3%，由精细结构常数定义）[11 年，基于夏丰年提出的结构，Mueller 等人采用不对称多指交叉电极替代原先称电极(原理图如图 1.2(b)所示)，通过增加有效探测区域并打破电流的对称性提墨烯光电探测器的响应度，，在 1.55 μm、外加偏压下的响应度可达 6.1 mA/W[26推测，石墨烯光电探测器至少能够实现 0.3 ~ 6 μm 的探测[27]。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11

【参考文献】