石墨烯等离激元性质及其应用的研究

发布时间：2022-01-23 15:34

　　表面等离激元（Surface Plasmons,SPs）是金属表面自由电子和入射光子相互作用形成的一种电磁振荡。表面等离激元不仅具有可突破衍射极限、局域场增强等特性,而且可以在纳米尺度下实现对光的操纵,这为开发新型纳米集成光子器件提供了巨大潜力。近年来,科研人员提出和设计了许多基于表面等离激元的光子学器件,它们在完美吸收器、宽带调制器、滤波器、化学生物传感等方面具有广泛的应用。然而,传统的金属表面等离激元由于具有较高的欧姆损耗和无法动态可调等缺点,限制了其在光子学集成领域的应用,而石墨烯等离激元独特的光学特性、可调性以及强电磁场局域性使其成为近年来的研究热点。本文主要针对石墨烯等离激元（Graphene Surface Plasmons,GSPs）的基本原理、光学特性、调控方式等展开了研究。基于上述理论,设计了两种不同石墨烯结构的完美吸收器,并利用有限元法对提出的结构进行数值模拟和分析,探究了其主要的工作原理、几何参数和费米能级对该结构吸收光谱的影响。主要内容如下:1.简要介绍了表面等离子体激元的基本性质、激发方式以及局域表面等离子体激元的性质;2.首先介绍了石墨烯的电子能带结构及其光... 

【文章来源】：青岛大学山东省

【文章页数】：51 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

(a)表面等离子体激元的示意图

青岛大学硕士学位论文3当z>0时，电磁场可以表示为：ikxzkzHzeeAx11y),(1-(4)xikzkdxxzeeiAzxE11011),(1-(5)xikzkdxzxzeekiAzxE11021),(1-(6)当z<0时ikxzkzHzeeAx22y),（1-(7)xikzkdxxzeeiAzxE21021),(1-(8)xikzkdxzxzeekiAzxE21021),(1-(9)其中介质沿着z方向的波矢dxzkkk2021，金属沿着z方向的波矢mxzkkk2022，根据金属和电介质处的边界条件得到21AA以及：mdzzkk211-(10)将z1k和z2k代入，求得到沿着金属介质表面传播的表面等离子体激元的色散关系为：mdmd0kkx1-(11)而对于TE模式，由于不存在束缚解，所以传播的表面等离子体激元只存在于TM模式下。图1.2SPPs的色散曲线如图1.2所示，表面等离子体激元的色散曲线（实线）始终位于自由空间光色散曲线（虚线）的右侧，即表面等离子体激元的波矢大于自由空间中相同频率的光波矢。

青岛大学硕士学位论文51.2.2表面等离子体激元的激发方式图1.3(a)Kretschmann结构(b)Otto结构(c)SNOM探针激发(d)表面结构衍射激发(e)光栅结构[10]目前激发SPPs的主要方式包括棱镜耦合、近场耦合和光栅耦合[12-14]。(1)棱镜耦合，最常见的方式包括Kretschmann结构和Otto结构，图1.3(a)为Kretschmann结构，由覆盖在棱镜上的金属薄膜和两种不同的电介质构成，当入射光的入射角度大于临界角时，会在棱镜和金属的分界面发生全反射并产生倏逝波，当倏逝波的平面波矢与金属/电介质界面处的SPPs的波矢量kspp相一致时，即sin0psppnkk（0k为入射光的波矢量，棱镜折射率为pn），就会激发金属和空气界面处的SPPs。在Otto结构（图1.3b）中，在反射棱镜和金属薄膜间设置了一层狭窄的空气间隙，通过在棱镜和空气界面处发生全反射产生的倏逝波来满足波矢匹配，从而激发金属/空气界

【参考文献】：
期刊论文
[1]Vacuum ultraviolet photovoltaic arrays[J]. WEI ZHENG,RICHENG LIN,LEMIN JIA,FENG HUANG.  Photonics Research. 2019(01)



本文编号：3604648