含石墨烯光子晶体的光学特性

发布时间：2018-01-19 19:15

  本文关键词： 石墨烯 光子晶体 增强吸收 布洛赫表面波　出处：《山东大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：自2004年,实验上利用机械剥离法制备出石墨烯后,石墨烯就成为了物理学、材料科学等领域的研究的重点。石墨烯仅具有原子层厚度,且具有比传统的半导体材料更高的载流子迁移率,更好的柔韧性和良好的稳定性能,以及独特的光学特性,单层厚的的石墨烯在可见光范围几乎是百分之百透明,对入射光的吸收约为0.0233,因此将石墨烯应用到透明电极、光电探测器等光电设备具有重要意义。但是,由于像光电探测器这类设备是需要材料与光的强相互作用,而石墨烯与光的较弱的相互作用将限制了它的应用,因此如何增强石墨烯与光相互作用已成为近些年的研究热门。光子晶体的概念自1987年提出后,在各个领域就受到了极大的重视。它的晶格尺度可以与电磁波波长相比拟,基本特征是可以调控电磁波的传播。完美的光子晶体具有光子带隙,可以禁止电磁波在特定波长范围内的传播。如果在完整的光子晶体中插入缺陷层来破坏它的周期性,则可以在光子禁带中出现缺陷模,缺陷模频率处的电磁波可以百分百的透射。因此利用光子晶体这种简单的结构来增强石墨烯的光吸收具有重要意义。本文实验上采用电子束蒸发法制备一维全介质光子晶体、湿转移方法制备石墨烯薄膜,理论上采用传输矩阵的方法,主要研究了利用一维全介质光子晶体来增强可见光范围内石墨烯薄膜的光吸收。论文第二章中,我们主要研究了表面含石墨烯的一维光子晶体的光学特性。较多周期数的一维全介质光子晶体在禁带频段可以作为反射镜,禁带波长范围内的入射光完全反射。将石墨烯薄膜放置于一维光子晶体表面后,在光子禁带范围石墨烯对光的吸收则大大提高。我们在实验上证明了将一、二、三层石墨烯薄膜放置在一维光子晶体表面,整个光子禁带范围的光吸收都被增强。光波垂直入射、TE和TM偏振下斜入射时,石墨烯薄膜的最大光吸收率都提高了大约4倍。并且我们理论研究发现,用本章方法来增强石墨烯光吸收的一维光子晶体必须具有较多的周期数,且与组成光子晶体的介质层的排列顺序有关。论文的第三章主要研究了缺陷中心含石墨烯的一维光子晶体的光学特性。周期排列的完整的光子晶体中插入缺陷层后,光子晶体禁带中会产生缺陷模。当缺陷层为较低折射率的材料时,在缺陷处电场强烈局域;缺陷层具有较高的折射率时,缺陷模处的电场强度几乎为零。我们研究发现将石墨烯薄膜插入在较低的折射率材料构成的缺陷层处时,可以大大提高其光吸收,若将石墨烯薄膜插入在较高折射率介质形成的缺陷层处时,则石墨烯的光吸收减小到几乎为零。这里我们考虑了完全对称和非对称光子晶体两种不同光子晶体结构。第四章我们主要从理论上研究了利用棱镜激发布洛赫表面波来实现单层石墨烯薄膜的完美光吸收。被棱镜激发的布洛赫表面波沿着空气与截断的一维全介质光子晶体组成的界面传播,是一种表面局域模式。我们研究发现将石墨烯薄膜置于截断的一维光子晶体表面,布洛赫表面波则可在石墨烯薄膜中传播,此时石墨烯层中的电磁场强烈局域。理论研究表明,在TE和TM两种偏振状态下的特定入射角度,利用激发的布洛赫表面波都可以实现单层石墨烯薄膜在激发波长下的完美光吸收。
[Abstract]:In the second chapter , we have studied the optical characteristics of graphene thin films by using one - dimensional whole - medium photonic crystal .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O734

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本文编号：1445241