石墨烯—金属/介质复合结构可调吸收特性研究
发布时间：2020-12-28 14:29
这些年来,以石墨烯为代表的新兴二维材料凭借其优秀的特性迅速走进人们的视野。特别是石墨烯拥有超高的载流子迁移率和光学特性可调等特点,在高速调制的光电探测,光学传感等领域备受关注。然而,石墨烯作为单原子层的材料对光的吸收效率约为2.3%左右,限制了其发展。本文提出利用表面等离激元的方法,增强石墨烯与光的相互作用,并利用石墨烯光学特性可随费米能级变化而变化的特点,设计多种红外可调吸收器件。根据结构中起关键作用的材料,将器件分为石墨烯-金属复合可调吸收器与石墨烯-介质复合可调吸收器。前者包括对空间信息敏感的品质因子高达1400的高分辨石墨烯-金光栅复合可调吸收器,对入射光角度60度内不敏感的石墨烯-金-碳化硅复合可调吸收器,尺寸厚度低于150nm的超薄石墨烯-金-氧化铝-金复合可调吸收器。后者包括,对光空间信息敏感调幅性能优良的石墨烯-PMMA光栅复合可调吸收器,和实现石墨烯费米能级敏感为12.5μm/eV的调频性能优良的石墨烯光栅-介质复合可调吸收器。总之,本文提出并设计了多种石墨烯可调的金属/介质复合的可调吸收器件,将金属材料,介质材料与石墨烯材料有效结合,并对进行参数调优与原理分析,设计...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２沈元壤教授发现了石墨烯的光学特性可受电压调制的特点ＭＬ?（ａ）石Ｉ烯上施加了门??电压，当电压变化时期反射率的谱线谱
学家还发现了石墨烯的光学特性可调的特点，比如２００８年，沈元壤就在ｎａｔｕｒｅ??上发表了关于石墨烯的反射率可以随着施加在其上电压的变化而变化［１４］，并详??细进行了分析了石墨烯单层的光学特性。如图１．２所示。图中显示了石墨烯在不??同的门电压下，归一化的反射光谱的变化趋势，同时也提到了，电压变化导致了??石墨烯费米能级的变化。实际上，在沈元壤教授的文章中提到电压的变化导致石??墨烯费米能级的变化，进而改变的石墨烯的光学特性。??（ａ）?（ｂ）?〇??????＾?｜１１?＼／??＞?十－ｊ?ｉ－２Ａ?ｊ??３４０?３６０?３８０?４００?－５０?０?５０??Ｅｎｅｒｇｙ?（ｍｅＶ）?Ｇａｔｅ?Ｖｏｌｔａｇｅ?（Ｖ）??图１．２沈元壤教授发现了石墨烯的光学特性可受电压调制的特点ＭＬ?（ａ）石Ｉ烯上施加了门??电压，当电压变化时期反射率的谱线谱。（ｂ）截取了光的能帒为３５（）ｍｅＶ时，石墨烯单层的??３??
减少到低于原先的百分之一，器件的品质因子大大下降。这充分说明石墨烯在其??中产生了较大的损耗，使得部分光被吸收，利用耦合模理论解释，石墨烯－二维??光子晶体纳米谐振腔对光的吸收率接近５０％，见图１．４。和ｋｔｂ分别表示向前??耦合到Ｍｏｄｅｌ和向后耦合到Ｍｏｄｅ２的耦合速率，ｋｃ表示Ｕ和ｋｃｂ的总和，ｋｃ’??表示因材料的吸收或产生损耗的模式而造成的衰减速率，ｋｃｇ表示因石墨烯吸收??造成的衰减速率。因此，只要通过结构设计与材料选择实现ｋｏ／ｋｅｇ等于１时，可??以实现约５０％的吸收。??（ａ）?Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ?￣?５〇「?一＾—?１??Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ?■．．．＞ｉｎ?Ｍｏｄｅｌ?（ｂ）??ＣｏＨｅｃｔ．ｃｎ?￣??ＭＳＳｅ？?ｇ—?＾?４０?０?８??〇〇Ｕ，Ｍｃｂ?〇ｉｎ?§?／?！?１??／＼／，：＼?！：Ｖ?Ｐ??Ｃａｖｉｔｙ?°〇?０５?１?１．５?２°??Ｋｃ／Ｋ？??图１．４（ａ）光耦合到石墨烯－二维光子晶体纳米谐振腔的原理图（ｂ）理论计算的石??墨烯吸收率（绿线）以及器件的相对衰减（蓝线）［１６］??同年，普罗霍夫物理研究所的Ｅｌｅｎａ?Ｄ．?Ｏｂｒａｚｔｓｏｖａ课题组也提出了利用光子??晶体来并设计了实际的器件进行测量。虽然理论上分析石墨烯的吸收可以迖到??５０％，但从实验上只实现了石墨烯１６％的吸收［｜７］。两年以后，Ｍ．?Ｓｃａｌｏｒａ和Ａ．??Ｄ’Ｏｒａｚｉｏ课題组从实现上实现了石墨烯吸收几乎占５０％的石墨烯－一维光子晶体??结构［１８］。如图１．５所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC器件在光伏逆变器中的应用与挑战[J]. 曾正,邵伟华,胡博容,陈昊,廖兴林,陈文锁,李辉,冉立. 中国电机工程学报. 2017(01)
[2]智能电网中的新一代高频隔离功率转换技术[J]. 宋强,赵彪,刘文华,赵宇明. 中国电机工程学报. 2014(36)
[3]石墨烯的电子结构及其应用进展[J]. 梁彤祥,刘娟,王晨. 材料工程. 2014(06)
[4]Experimental study of composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity[J]. SUI Qiang1, 2 & LI Fang1 1. Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 2. School of Information, Beijing Broadcasting Institute, Beijing 100024, China Correspondence should be addressed to Sui Qiang (email: suiqiang@bbi.edu.cn) Received July 28, 2003. Science in China(Series G:Physics,Mechanics & Astronomy). 2004(01)
[5]硅集成电路光刻技术的发展与挑战[J]. 王阳元,康晋锋. 半导体学报. 2002(03)
本文编号：2943917
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２沈元壤教授发现了石墨烯的光学特性可受电压调制的特点ＭＬ?（ａ）石Ｉ烯上施加了门??电压，当电压变化时期反射率的谱线谱
学家还发现了石墨烯的光学特性可调的特点，比如２００８年，沈元壤就在ｎａｔｕｒｅ??上发表了关于石墨烯的反射率可以随着施加在其上电压的变化而变化［１４］，并详??细进行了分析了石墨烯单层的光学特性。如图１．２所示。图中显示了石墨烯在不??同的门电压下，归一化的反射光谱的变化趋势，同时也提到了，电压变化导致了??石墨烯费米能级的变化。实际上，在沈元壤教授的文章中提到电压的变化导致石??墨烯费米能级的变化，进而改变的石墨烯的光学特性。??（ａ）?（ｂ）?〇??????＾?｜１１?＼／??＞?十－ｊ?ｉ－２Ａ?ｊ??３４０?３６０?３８０?４００?－５０?０?５０??Ｅｎｅｒｇｙ?（ｍｅＶ）?Ｇａｔｅ?Ｖｏｌｔａｇｅ?（Ｖ）??图１．２沈元壤教授发现了石墨烯的光学特性可受电压调制的特点ＭＬ?（ａ）石Ｉ烯上施加了门??电压，当电压变化时期反射率的谱线谱。（ｂ）截取了光的能帒为３５（）ｍｅＶ时，石墨烯单层的??３??
减少到低于原先的百分之一，器件的品质因子大大下降。这充分说明石墨烯在其??中产生了较大的损耗，使得部分光被吸收，利用耦合模理论解释，石墨烯－二维??光子晶体纳米谐振腔对光的吸收率接近５０％，见图１．４。和ｋｔｂ分别表示向前??耦合到Ｍｏｄｅｌ和向后耦合到Ｍｏｄｅ２的耦合速率，ｋｃ表示Ｕ和ｋｃｂ的总和，ｋｃ’??表示因材料的吸收或产生损耗的模式而造成的衰减速率，ｋｃｇ表示因石墨烯吸收??造成的衰减速率。因此，只要通过结构设计与材料选择实现ｋｏ／ｋｅｇ等于１时，可??以实现约５０％的吸收。??（ａ）?Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ?￣?５〇「?一＾—?１??Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ?■．．．＞ｉｎ?Ｍｏｄｅｌ?（ｂ）??ＣｏＨｅｃｔ．ｃｎ?￣??ＭＳＳｅ？?ｇ—?＾?４０?０?８??〇〇Ｕ，Ｍｃｂ?〇ｉｎ?§?／?！?１??／＼／，：＼?！：Ｖ?Ｐ??Ｃａｖｉｔｙ?°〇?０５?１?１．５?２°??Ｋｃ／Ｋ？??图１．４（ａ）光耦合到石墨烯－二维光子晶体纳米谐振腔的原理图（ｂ）理论计算的石??墨烯吸收率（绿线）以及器件的相对衰减（蓝线）［１６］??同年，普罗霍夫物理研究所的Ｅｌｅｎａ?Ｄ．?Ｏｂｒａｚｔｓｏｖａ课题组也提出了利用光子??晶体来并设计了实际的器件进行测量。虽然理论上分析石墨烯的吸收可以迖到??５０％，但从实验上只实现了石墨烯１６％的吸收［｜７］。两年以后，Ｍ．?Ｓｃａｌｏｒａ和Ａ．??Ｄ’Ｏｒａｚｉｏ课題组从实现上实现了石墨烯吸收几乎占５０％的石墨烯－一维光子晶体??结构［１８］。如图１．５所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC器件在光伏逆变器中的应用与挑战[J]. 曾正,邵伟华,胡博容,陈昊,廖兴林,陈文锁,李辉,冉立. 中国电机工程学报. 2017(01)
[2]智能电网中的新一代高频隔离功率转换技术[J]. 宋强,赵彪,刘文华,赵宇明. 中国电机工程学报. 2014(36)
[3]石墨烯的电子结构及其应用进展[J]. 梁彤祥,刘娟,王晨. 材料工程. 2014(06)
[4]Experimental study of composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity[J]. SUI Qiang1, 2 & LI Fang1 1. Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 2. School of Information, Beijing Broadcasting Institute, Beijing 100024, China Correspondence should be addressed to Sui Qiang (email: suiqiang@bbi.edu.cn) Received July 28, 2003. Science in China(Series G:Physics,Mechanics & Astronomy). 2004(01)
[5]硅集成电路光刻技术的发展与挑战[J]. 王阳元,康晋锋. 半导体学报. 2002(03)
本文编号：2943917
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