基于二维石墨烯/黑磷光栅-薄膜复合结构的光学耦合特性研究

发布时间：2021-11-17 13:05

　　表面等离激元是由入射光在金属表面激发自由电子集体震荡形成的局域电磁模式,具有电磁场局域增强、空间尺度超衍射极限、共振峰对环境介质敏感等特点。但传统的金属表面等离激元结构存在较高的欧姆损耗。近年来,随着石墨烯、黑磷等二维材料的出现,基于二维材料的表面等离激元结构逐渐成为纳米光子学领域新的研究热点。二维材料复合结构中,表面等离激元的模式耦合会产生许多新奇的物理现象,如:电磁诱导透明,Fano共振,拉比劈裂等,其在纳米光电探测、传感、滤波及非线性光学领域具有重要的应用前景。本文利用时域有限差分方法和有限元方法,结合时域耦合模理论,基于石墨烯和黑磷两种二维材料,系统研究了二维光栅/薄膜复合结构的光学吸收响应,重点分析了该结构中表面等离激元的模式耦合特性。论文的主要研究内容如下:（1）综述了石墨烯材料和黑磷材料的材料特性,给出了红外波段石墨烯和黑磷的电导率和介电常数对电磁波频率的依赖关系。（2）设计了石墨烯纳米条带阵列/石墨烯薄膜的耦合结构。系统研究了该结构中表面等离激元模式与局域表面等离激元模式的共振频率、吸收强度以及模式耦合强度对结构参数的依赖关系;研究了金属衬底对吸收强度的影响,发现通过使... 

【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

单层石墨烯的电导率(a)实部与(b)虚部，等效介电常数(c)实部与(d)虚部对波长λ与费米能级Ef的依赖关系

合肥工业大学硕士学位论文 4a / eVm， = 2 eV，20/ 0.4c =m，20/1.4cv = m[19]，其中a 是黑磷度，π / a 是布里渊区的宽度，m0是电子静止质量。使用二维电导率的薄层的等效介电常数可以表示为[30]：0jjjj rid = + ， d 是二维黑磷的厚度，ε0是真空介电常数。对于单层黑磷，有 εr= 5.76[3图 1.2 中给出了 armchair 方向单层黑磷的电导率和等效介电常数随着波电子密度的变化关系。

第一章 绪论基于金属结构的超材料器件，在实际应用中存在着一些明显的缺陷，例如调控、欧姆损耗高等，相比之下可动态调节的石墨烯光吸收器件就具有较，譬如可以通过外加电压来动态调节石墨烯的电导率，从而控制结构的光应等。常见的石墨烯光吸收器件设计有基于石墨烯超材料的器件[33, 37, 38模共振的器件[57-59]、基于金属光栅磁共振的器件[60, 61]等。如图 1.3 中的“H”型石墨烯阵列超材料，利用该超材料可以实现中红外道超高吸收。当石墨烯的化学势c = 0.5 eV 时，可以在波长为 6.3 m和处分别得到吸收率高达 99.65%和 99.80%的两个吸收峰，半峰全宽可以分0 nm 和 188 nm。通过控制电介质的折射率和石墨烯的费米能级，可以动收峰的光谱位置，也可以通过使用多层石墨烯阵列来获得多光谱吸收峰

【参考文献】：
期刊论文
[1]Graphene-supported manipulation of surface plasmon polaritons in metallic nanowaveguides[J]. HUA LU,XUETAO GAN,DONG MAO,JIANLIN ZHAO.  Photonics Research. 2017(03)



本文编号：3500971