石墨烯/微纳结构红外辐射吸收调控特性研究
发布时间：2022-02-17 18:50
自然界中的物体每时每刻都向外界辐射能量,传统的块状结构只能响应固定的能量,难以满足现代光学技术应用的高性能和集成化需求。将块状结构加工成具有周期性形貌的微纳结构,则能够实现对特定辐射能量的调控,并实现了在光学完美透镜、带通滤波器、隐身衣、慢光结构和电磁黑洞等领域的广泛应用。但是,由传统金属电介质组成的微纳结构在参数确定后只能响应固定的能量,很难实现实时调控的功能。石墨烯被发现以来,其工艺能够与传统材料相兼容并且费米能级可调控的特性对于解决上述问题提供了新的方案。本文从微纳结构能够操控光谱特性和石墨烯独特的光学特征出发,通过研究石墨烯/微纳结构光学调控的设计方法和物理机制,结合仿真与实验的方法,探索石墨烯/微纳结构在窄带探测和红外动态调控等领域的广泛应用,为新型石墨烯器件的研制和应用提供理论指导。研究了基于传统金属电介质材料组成的微纳结构窄带和宽带光调控特性。设计了Al/Al2O3/Al环形微纳结构和W/SiO2多层金字塔微纳结构,实现了对特定光谱窄带和宽带的吸收,分析了引起场增强模式的内部机制。环形结构能够激发多个磁极化模式实现窄带完美吸收,多层金字塔结构激发慢光...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
表面等离激元原理说明图[30]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-电磁波与这些材料相互作用会产生不止一个物理场的激发模式，多物理场的相互影响又会实现更多的功能。微纳结构就是对这些不同功能材料的排布以及结构参数的排列组合，以实现对目标电磁波的响应。图1-2基于电磁特性的基本材料体系分类[39]Fig.1-2Classificationofbasicmaterialsystemsbasedonelectromagneticproperties传统的微纳结构大多采用金属、电介质材料，比较典型的有金属微纳结构[40]、电介质微纳结构[41]、金属/电介质微纳结构[42]、金属/电介质/金属微纳结构[43]和多层金属/电介质双曲微纳结构[44]，通过对结构参数和材料的不同排列组合，实现了窄带单峰值、多峰值和宽带光谱的完美吸收和透过，设计的调控波段跨越了可见光波段[45]、红外波段[46-54]、THz波段[55]和微波波段[56,57]，为不同波段的光学探测器、光吸收、光子检测、储能和生物传感器等提供很好的理论和实际应用支持。已查明引起这些奇异特性的激发机制包括表面等离激元、磁极化、法布里波罗共振、慢光效应、渐变折射和相位共振等模式。窄带单峰完美吸收光谱调控特性是微纳结构的一个典型研究方向，尤其应用于折射率传感器等领域，对于污染物的探测有着重要的科学意义和应用价值。2008年，Landy等[58]首次实现了一种开口谐振器和金属平板耦合在一起的微纳结构完美吸收器。吸收器结构单元由铜/FR-4/铜三层组成，共振频率在11.5GHz，实测和仿真吸收率接近100%。高吸收率是由于上下两层结构耦合形成磁共振，调整两层结构的参数和相互之间的距离，使其达到相同的共振频点，能够使电磁波通过吸收器被最大限度的吸收。两年后，Liu等[59]通过实验测量出了一种在λ=1.6μm能够完美吸收电磁波的吸收体，红外光垂直入射时能
第1章绪论-5-个单吸收峰，并且吸收峰值达到98%。实验结果也证明了铝在中红外波段是很好的等离子激元材料并且制造成本相对低廉。Walter等[61]通过胶体刻蚀和干法蚀刻的方法制备出一种在近红外实现大角度偏振完美吸收的Au/MgF2/Au三维微纳结构。随着蚀刻时间的不同，吸收峰值能够实现不同波长位置的移动。由于设计上的无序排列，使得极化独立，入射角度达到50°时吸收率仍然保持98%。图1-3窄带完美吸收体[58,59]Fig.1-3Narrowbandperfectabsorber实现宽带吸收相较于窄带吸收在结构设计和加工上要复杂的多，一般简单单层结构很难实现，需要多层材料有规律组合在一起，激发特定的光学模式，色散关系符合双曲线特征的微纳结构就是能够实现宽带吸收的典型结构。Smith等[62]首次提出了双层开口谐振器具有双曲线的色散关系，之后利用双曲关系构建不同形式的微纳结构也多见报端。实现双曲色散关系一般是金属和介电层交替叠加。多层膜形式结构的性能依赖于金属和介电层材料的选择，而设计成不同图案形貌结构的性能取决于形貌所激发的光学模式，光学模式对性能的影响大于材料本身物性对性能的影响。He等[63-65]理论和实验分析验证了双曲多层微纳结构高吸收特性。分别在可见、红外和微波波段设计出不同尺寸的多层金字塔吸波结构，实验和理论共同验证了宽波段的完美吸收特性。Yang等[66]在单元尺寸为200nm的尺度下制备出一种由银/锗交替累积的三维塔形双曲微纳结构，实验揭示了不同尺寸的结构单元能够在相同频率下共振，高阶共振带动低频共振。Liang等[67]设计了一种纳米锥阵列，实现了在整个太阳光谱（0.2μm-2.5μm）接近100％的吸收特性，并且宽角度下依然保持良好的高吸收性能。Guo等[68]实验和理论分析了一种高带宽吸收的锥形双曲微纳
本文编号：3629925
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
表面等离激元原理说明图[30]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-电磁波与这些材料相互作用会产生不止一个物理场的激发模式，多物理场的相互影响又会实现更多的功能。微纳结构就是对这些不同功能材料的排布以及结构参数的排列组合，以实现对目标电磁波的响应。图1-2基于电磁特性的基本材料体系分类[39]Fig.1-2Classificationofbasicmaterialsystemsbasedonelectromagneticproperties传统的微纳结构大多采用金属、电介质材料，比较典型的有金属微纳结构[40]、电介质微纳结构[41]、金属/电介质微纳结构[42]、金属/电介质/金属微纳结构[43]和多层金属/电介质双曲微纳结构[44]，通过对结构参数和材料的不同排列组合，实现了窄带单峰值、多峰值和宽带光谱的完美吸收和透过，设计的调控波段跨越了可见光波段[45]、红外波段[46-54]、THz波段[55]和微波波段[56,57]，为不同波段的光学探测器、光吸收、光子检测、储能和生物传感器等提供很好的理论和实际应用支持。已查明引起这些奇异特性的激发机制包括表面等离激元、磁极化、法布里波罗共振、慢光效应、渐变折射和相位共振等模式。窄带单峰完美吸收光谱调控特性是微纳结构的一个典型研究方向，尤其应用于折射率传感器等领域，对于污染物的探测有着重要的科学意义和应用价值。2008年，Landy等[58]首次实现了一种开口谐振器和金属平板耦合在一起的微纳结构完美吸收器。吸收器结构单元由铜/FR-4/铜三层组成，共振频率在11.5GHz，实测和仿真吸收率接近100%。高吸收率是由于上下两层结构耦合形成磁共振，调整两层结构的参数和相互之间的距离，使其达到相同的共振频点，能够使电磁波通过吸收器被最大限度的吸收。两年后，Liu等[59]通过实验测量出了一种在λ=1.6μm能够完美吸收电磁波的吸收体，红外光垂直入射时能
第1章绪论-5-个单吸收峰，并且吸收峰值达到98%。实验结果也证明了铝在中红外波段是很好的等离子激元材料并且制造成本相对低廉。Walter等[61]通过胶体刻蚀和干法蚀刻的方法制备出一种在近红外实现大角度偏振完美吸收的Au/MgF2/Au三维微纳结构。随着蚀刻时间的不同，吸收峰值能够实现不同波长位置的移动。由于设计上的无序排列，使得极化独立，入射角度达到50°时吸收率仍然保持98%。图1-3窄带完美吸收体[58,59]Fig.1-3Narrowbandperfectabsorber实现宽带吸收相较于窄带吸收在结构设计和加工上要复杂的多，一般简单单层结构很难实现，需要多层材料有规律组合在一起，激发特定的光学模式，色散关系符合双曲线特征的微纳结构就是能够实现宽带吸收的典型结构。Smith等[62]首次提出了双层开口谐振器具有双曲线的色散关系，之后利用双曲关系构建不同形式的微纳结构也多见报端。实现双曲色散关系一般是金属和介电层交替叠加。多层膜形式结构的性能依赖于金属和介电层材料的选择，而设计成不同图案形貌结构的性能取决于形貌所激发的光学模式，光学模式对性能的影响大于材料本身物性对性能的影响。He等[63-65]理论和实验分析验证了双曲多层微纳结构高吸收特性。分别在可见、红外和微波波段设计出不同尺寸的多层金字塔吸波结构，实验和理论共同验证了宽波段的完美吸收特性。Yang等[66]在单元尺寸为200nm的尺度下制备出一种由银/锗交替累积的三维塔形双曲微纳结构，实验揭示了不同尺寸的结构单元能够在相同频率下共振，高阶共振带动低频共振。Liang等[67]设计了一种纳米锥阵列，实现了在整个太阳光谱（0.2μm-2.5μm）接近100％的吸收特性，并且宽角度下依然保持良好的高吸收性能。Guo等[68]实验和理论分析了一种高带宽吸收的锥形双曲微纳
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