共振体系增强石墨烯的非线性光学效应的研究
发布时间：2021-02-09 00:25
石墨烯由于其特殊的能带结构,具有优异的电学与光学性能,在光电子学器件如光电开关、相位调制器、锁模激光器、滤波器等方面具有重要应用。但是由于石墨烯的单层原子特性,在可见及近红外波段具有高达97.7%的透过率,即光与石墨烯的作用相对较弱。物质的非线性光学响应与光电场的高阶项相关,因此增强石墨烯与光场的相互作用,从而增强石墨烯的非线性光学响应是非线性光学领域的重要研究课题。本论文主要研究了单层石墨烯在近场电场增强作用下的非线性光学响应。本论文研究在制备及设计基于石墨烯的非线性光学器件方面具有重要研究意义。本论文的主要研究内容和结论有:1.我们利用有限元的方法对覆盖在硅光栅上的石墨烯进行了二次谐波产生（SHG）和三次谐波产生（THG）的数值研究。光栅辅助的石墨烯等离子体激元通过横向磁（TM）极化而激发。我们使用石墨烯的表面电导率以及在基频,SHG和THG频率下对应的石墨烯表面电流密度,代替有效的面内介电常数来代表真实的石墨烯。我们将研究重点放在中红外频率上,尤其是在10.6μm的波长处,这是二氧化碳（CO2）激光器的输出波长。我们详细研究了受石墨烯费米能级,光栅周期,入射...
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：48 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯原子结构示意图
山东师范大学硕士学位论文1第一章绪论1.1石墨烯概述2004年，英国曼彻斯特大学的K.S.Novoselov和A.K.Geim在高定向热解石墨上利用机械剥离的方法首次得到单原子层的石墨，即石墨烯(Graphene)[1]。如图1-1所示。图1-1石墨烯原子结构示意图石墨烯是由sp2轨道杂化的碳原子，按六角形紧密排成一个单层的二维蜂窝状晶格，其厚度仅有0.34nm[1]。组成蜂窝状结构的正六边形苯环中的化学键为大π键，键长为0.142nm，大π键键能较大，不易断裂，因此石墨烯性质比较稳定；苯环相互交叉相连，π电子能够迁移，使得石墨烯具有良好的导电性，在室温的条件下，具有2×105cm/vs2的电子迁移率，电导率达到106S/m[2]；石墨烯中的电子是狄拉克费米子，色散关系是线性的[2,3]，如图1-2所示，因此具有超高迁移率和零带隙的能带结构。在可见光区域，单原子层厚度的石墨烯的反射光小于0.1%。当达到数十层时，会上升到2%左右[4]。其对可见光的吸收大约为2.3%[5]。图1-2石墨烯能带结构示意图（该图引于A.C.Neto,F.Guinea,N.M.Peres,K.S.Novoselov,andA.
山东师范大学硕士学位论文7周期，h为光栅高度，w为光栅宽度，入射光波矢k=2π/λ，λ为入射光波长，入射角为α，入射偏振方向为横磁模(即TM偏振，如图中E为电场分量，H为磁场分量)。当入射光波矢与硅光栅的周期结构倒格矢满足石墨烯表面等离激元波矢匹配时，将激发石墨烯的表面等离激元共振，从而在石墨烯表面形成增强的局域电场，增强石墨烯的二次及三次谐波产生。硅的折射率假定为3.42，石墨烯的表面电导σs由Kubo公式给出[67]，22121122()ln2cosh()ln242()BffsBfekTiEieEiikTEi(2.1)其中，T为绝对温度，ω为角频率，e为电子电量，kB为玻尔兹曼常数，为约化普朗克常数，τ为载流子弛豫时间，Ef为石墨烯费米能级。石墨烯载流子弛豫时间τ正比于迁移率μ=evf2τ/Ef，vf≈106m/s为石墨烯的费米速度。本论文中除非特别说明，所用参数分别为τ=1ps,μ=10000cm2/(V·S)andT=300K。费米能级Ef可以通过偏压或化学掺杂动态可调。图2-1石墨烯覆盖硅光栅的结构示意图在TM偏振下，石墨烯的二次谐波产生表面电流可表示为[68]，3222223x38fiqxevjqEe(2.2)其中，q为石墨烯面内动量，Ex为沿石墨烯表面的电常此公式可以看出，石墨烯的二阶表面电流与费米能级Ef无关。对于石墨烯的三阶电导率，有八个非零且独立的成分[69]，即(3)(3)xxyyyyxx，(3)(3)xyxyyxyx，(3)(3)xyyxyxxy，和(3)(3)(3)(3)(3)xxxxyyyyxxyyxyxyxyyx，其中x和y是石墨烯的平面内坐标，如
本文编号：3024738
【文章来源】：山东师范大学山东省
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【学位级别】：硕士
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石墨烯原子结构示意图
山东师范大学硕士学位论文1第一章绪论1.1石墨烯概述2004年，英国曼彻斯特大学的K.S.Novoselov和A.K.Geim在高定向热解石墨上利用机械剥离的方法首次得到单原子层的石墨，即石墨烯(Graphene)[1]。如图1-1所示。图1-1石墨烯原子结构示意图石墨烯是由sp2轨道杂化的碳原子，按六角形紧密排成一个单层的二维蜂窝状晶格，其厚度仅有0.34nm[1]。组成蜂窝状结构的正六边形苯环中的化学键为大π键，键长为0.142nm，大π键键能较大，不易断裂，因此石墨烯性质比较稳定；苯环相互交叉相连，π电子能够迁移，使得石墨烯具有良好的导电性，在室温的条件下，具有2×105cm/vs2的电子迁移率，电导率达到106S/m[2]；石墨烯中的电子是狄拉克费米子，色散关系是线性的[2,3]，如图1-2所示，因此具有超高迁移率和零带隙的能带结构。在可见光区域，单原子层厚度的石墨烯的反射光小于0.1%。当达到数十层时，会上升到2%左右[4]。其对可见光的吸收大约为2.3%[5]。图1-2石墨烯能带结构示意图（该图引于A.C.Neto,F.Guinea,N.M.Peres,K.S.Novoselov,andA.
山东师范大学硕士学位论文7周期，h为光栅高度，w为光栅宽度，入射光波矢k=2π/λ，λ为入射光波长，入射角为α，入射偏振方向为横磁模(即TM偏振，如图中E为电场分量，H为磁场分量)。当入射光波矢与硅光栅的周期结构倒格矢满足石墨烯表面等离激元波矢匹配时，将激发石墨烯的表面等离激元共振，从而在石墨烯表面形成增强的局域电场，增强石墨烯的二次及三次谐波产生。硅的折射率假定为3.42，石墨烯的表面电导σs由Kubo公式给出[67]，22121122()ln2cosh()ln242()BffsBfekTiEieEiikTEi(2.1)其中，T为绝对温度，ω为角频率，e为电子电量，kB为玻尔兹曼常数，为约化普朗克常数，τ为载流子弛豫时间，Ef为石墨烯费米能级。石墨烯载流子弛豫时间τ正比于迁移率μ=evf2τ/Ef，vf≈106m/s为石墨烯的费米速度。本论文中除非特别说明，所用参数分别为τ=1ps,μ=10000cm2/(V·S)andT=300K。费米能级Ef可以通过偏压或化学掺杂动态可调。图2-1石墨烯覆盖硅光栅的结构示意图在TM偏振下，石墨烯的二次谐波产生表面电流可表示为[68]，3222223x38fiqxevjqEe(2.2)其中，q为石墨烯面内动量，Ex为沿石墨烯表面的电常此公式可以看出，石墨烯的二阶表面电流与费米能级Ef无关。对于石墨烯的三阶电导率，有八个非零且独立的成分[69]，即(3)(3)xxyyyyxx，(3)(3)xyxyyxyx，(3)(3)xyyxyxxy，和(3)(3)(3)(3)(3)xxxxyyyyxxyyxyxyxyyx，其中x和y是石墨烯的平面内坐标，如
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