光学超材料与单层石墨烯相互作用的研究

发布时间：2017-08-08 15:21

  本文关键词：光学超材料与单层石墨烯相互作用的研究

  更多相关文章： 双曲超材料 拉曼光谱 钙钛矿微型激光器 阈值 激子束缚能 俄歇复合

【摘要】：超材料(metamaterials)的研究是一个新兴的领域,近年来随着制备技术的发展,超材料已得到了广泛的关注和较为普遍的应用。超材料也属于材料的范畴,它的原材料来源于自然界,将自然界存在的一些材料通过人工复合、加工,使得结构单元的尺寸远小于入射光的波长,从而产生了天然材料所不具备的超常物理性质。如今超材料已逐渐成为国际学术界的研究热点之一,在各个研究领域得到广泛的认知和追捧。关于超材料的研究,包含了成像、隐身、传感、波导等各方面的应用,在光学工程和材料科学的领域得到广泛的关注。本文中光学超材料与单层石墨烯的相互作用的研究,正是利用了光学超材料对光特有的局域效果,和石墨烯之间产生的相互调控。本文设计了一种多层膜双曲超材料,利用双曲超材料的特性调控石墨烯的拉曼信号,使得石墨烯的拉曼光谱信号增强。这种多层膜结构在制备上比较简单,并且增强效果明显。研究过程中,首先运用电磁仿真软件COMSOL设计金属-介质周期性堆叠的多层膜结构,模拟计算最上层介质层,即表面间隔层的厚度对近场强度的影响,从而间接的说明了对拉曼强度的影响。然后利用电子束蒸镀制备多层膜结构,使用椭偏仪测得折射率和消光系数,用等效媒介理论拟合出水平和垂直方向的介电常数。通过介电常数的各向异性来判别制备的结构在拉曼光谱仪激发光的波长514 nm处是否具有双曲特性,从而断定制备的结构是否为双曲超材料。最后通过湿法转移,在多层膜结构上转移单层石墨烯,利用拉曼光谱仪测得石墨烯的拉曼光谱,将实验结果和模拟结果进行对比,得出结论。本文也提出了利用石墨烯的改性提高钙钛矿微型激光器性能的方法,通过实验结果验证了石墨烯能够有效的降低卤化铅钙钛矿微腔的激光阈值、增大输出激光的强度。在实验研究过程中,首先,通过湿法转移,将裁剪尺寸合适的单层石墨烯转移到清洗后的玻璃片上。利用化学合成法合成钙钛矿棒状结构。然后,利用飞秒激光器发射出400 nm的激光垂直入射泵浦单个钙钛矿微米级棒状结构,测得不同强度的激光下的光谱。通过数据处理,积分拟合出阈值曲线。对比同一个钙钛矿结构分别处于普通玻璃基底和石墨烯上的阈值曲线,得出结论。同时运用COMSOL电磁仿真软件,对所测钙钛矿结构进行模式分析,求得Q值,并且对有无石墨烯的情况进行对比。最后我们通过低温装置测得两种情况下的激子束缚能,首次提出了用俄歇复合的理论解释了这种调控的原因。
【关键词】：双曲超材料 拉曼光谱 钙钛矿微型激光器 阈值 激子束缚能 俄歇复合
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB34
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 课题的研究背景以及研究目的和意义9-11
• 1.2 双曲超材料的研究现状11-16
• 1.2.1 双曲超材料的简介11-12
• 1.2.2 双曲超材料的研究现状12-15
• 1.2.3 双曲超材料的发展趋势及应用前景15-16
• 1.3 钙钛矿微型激光器的研究现状16-20
• 1.3.1 钙钛矿简介16-17
• 1.3.2 石墨烯简介17-18
• 1.3.3 卤化铅钙钛矿的研究现状及发展前景18-20
• 1.4 本章小结20-21
• 第2章 多层膜双曲超材料的设计与制备21-28
• 2.1 多层膜双曲超材料的结构设计21-22
• 2.1.1 结构材料的选择以及厚度的设计21-22
• 2.1.2 双曲超材料的结构设计22
• 2.2 等效介电常数的测量和计算22-25
• 2.3 多层膜双曲线超材料的制备25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章多层膜双曲超材料对石墨烯的拉曼增强28-36
• 3.1 模拟设计不同厚度的润湿层对拉曼增强效果的影响28-30
• 3.2 转移石墨烯以及单层石墨烯的表征30-34
• 3.2.1 石墨烯的转移30-33
• 3.2.2 石墨烯的拉曼表征33-34
• 3.3 双曲超材料对石墨烯的拉曼增强34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 钙钛矿微型激光器的设计与制备36-40
• 4.1 钙钛矿微型激光器的制备36-38
• 4.2 钙钛矿微米级激光器的性能特点38-39
• 4.3 本章小结39-40
• 第5章 利用石墨烯抑制钙钛矿的俄歇复合40-50
• 5.1 俄歇复合机理40-41
• 5.2 湿法转移石墨烯41-42
• 5.3 石墨烯降低钙钛矿的俄歇复合42-49
• 5.3.1 阈值和Q值的光学测量42-44
• 5.3.2 钙钛矿光学微腔的数值模拟分析44-46
• 5.3.3 石墨烯降低钙钛矿的俄歇复合46-49
• 5.4 本章小结49-50
• 结论50-51
• 参考文献51-56
• 硕士期间发表的论文及成果56-58
• 致谢58

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