超薄二维石墨烯薄膜光学吸收特性的理论研究
发布时间：2021-05-26 17:19
石墨烯自从2004年被Geim和Novoselov用机械剥离的方法剥离出以来,受到了人们的广泛关注。石墨烯是一种存在于自然界中的具有六角蜂窝状结构的单层碳原子二维材料,有着优异的光学和电学特性,可应用在纳米电子器件和光电子器件中。与其他二维材料相比,石墨烯具有一些独特的性能,如它的载流子浓度可以通过外部偏置电压或化学掺杂来调控,使其具有很好的可调特性。表面等离激元是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用形成的电磁振荡。在特定频率的入射光子作用下表面等离激元,会在结构表面发生强烈地吸收或散射,然后将电磁场聚焦到亚波长尺度的范围,从而形成局域电场增强,使得光与物质的相互作用增强。此外,表面等离激元还能突破衍射极限,为微米和纳米级的电子元器件的发展提供了可能。将表面等离激元与人工设计成的材料（超材料）相结合,即表面等离激元超材料,激发了科研人员的研究热潮,是现代光学的研究热点之一。本文基于石墨烯表面等离激元超材料,通过理论设计和模拟计算,研究了三种石墨烯复合结构吸收器。利用时域有限差分方法,讨论和分析了石墨烯复合结构的光吸收性能。本文的研究内容主要如下:（1）提出了一种基于哑铃形石墨烯超...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题背景
1.2 石墨烯的概述与意义
1.2.1 石墨烯简介
1.2.2 石墨烯的性质
1.2.3 石墨烯的电导率模型
1.3 表面等离激元
1.3.1 局域表面等离激元共振
1.3.2 传播表面等离极化激元
1.3.3 石墨烯表面等离激元与TE波和TM波的色散关系
1.4 石墨烯表面等离激元的国内外研究现状及应用
1.4.1 石墨烯表面等离激元在光学器件上的应用
1.4.2 表面等离激元在生物传感器上的应用
1.4.3 石墨烯表面等离激元在调制器上的应用
1.5 论文的主要研究内容及创新点
1.5.1 论文的主要研究内容
1.5.2 论文的创新点
2 理论基础和数值计算方法
2.1 引言
2.2 理论基础
2.2.1 麦克斯韦方程组
2.2.2 阻抗匹配理论
2.2.3 临界耦合理论
2.3 数值计算方法—时域有限差分方法
2.4 Drude模型
2.5 本章小结
3 基于哑铃形石墨烯的表面等离激元超材料阵列吸收器
3.1 引言
3.2 模型结构与方法
3.3 结果分析与讨论
3.3.1 矩形、条状、圆形和哑铃形石墨烯结构的吸收性能
3.3.2 几何参数对哑铃形石墨烯结构吸收性能的影响
3.3.3 TM偏振时入射角对吸收性能的影响
3.3.4 矩形、条状、圆形和哑铃形石墨烯超材料结构的吸收增强和可调控特性
3.3.5 双层哑铃形石墨烯阵列结构的吸收性能
3.4 本章小结
4 基于周期性排列的分裂环石墨烯超材料阵列结构的三频段完美吸收器
4.1 引言
4.2 模型结构与方法
4.3 结果分析与讨论
4.3.1 几何参数对分裂环石墨烯超材料阵列结构光吸收的影响
4.3.2 化学势和弛豫时间对分裂环石墨烯超材料阵列结构吸收性能的影响
4.3.3 分裂环石墨烯超材料阵列结构的传感性能
4.4 本章小结
5 基于临界耦合理论的超窄带石墨烯完美吸收器
5.1 引言
5.2 模型结构与方法
5.3 结果分析与讨论
5.3.1 TM和 TE偏振的吸收特性和临界耦合状态分析
5.3.2 共振与非共振状态的电场分布
5.3.3 几何参数对结构吸收性能的影响
5.3.4 结构周期与共振峰波长的关系
5.3.5 结构的传感性能
5.4 本章小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间取得的研究成果
(一)公开发表的论文(以第一作者身份发表论文9篇,其余为参与作者)
(二)参加科研项目
(三)学术会议
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯改性高分子材料进展[J]. 韩雨阳,杨建军. 化学推进剂与高分子材料. 2020(02)
[2]基于化学气相沉积技术的粉体石墨烯的制备及能源领域应用[J]. 慈海娜,孙靖宇. 科学通报. 2019(32)
[3]利用表面等离激元成像检测化学气相沉积法生长石墨烯[J]. 魏茹雪,王延伟,江丽雯,孙旭晴,刘虹遥,王畅,路鑫超,卢维尔,夏洋,黄成军. 光学学报. 2019(11)
[4]石墨烯在防腐涂料中的应用进展[J]. 张海永,吕心顶,郑言贞. 涂料工业. 2019(06)
[5]石墨烯在锂离子电池和超级电容器中的应用展望[J]. 崔超婕,田佳瑞,杨周飞,金鹰,董卓娅,谢青,张刚,叶珍珍,王瑾,刘莎,骞伟中. 材料工程. 2019(05)
[6]石墨烯及其衍生物在催化领域的应用[J]. 李孟辉,袁鸣蔚,黄佳,吴鸿杰,李进军,游志雄. 分子催化. 2019(02)
[7]化学气相沉积法制备石墨烯过程的数值模拟研究[J]. 李阳,王飞,赵世龙. 化工新型材料. 2018(12)
[8]Tunable narrowband antireflection optical filter with a metasurface[J]. LUIGI BIBBò,KARIM KHAN,QIANG LIU,MI LIN,QIONG WANG,ZHENGBIAO OUYANG. Photonics Research. 2017(05)
[9]石墨烯制备方法及研究进展[J]. 徐婷,李云珂,彭少贤,赵西坡. 化工新型材料. 2017(08)
[10]石墨烯导热高分子复合材料的制备、性能与机理[J]. 马良,陈楷炫,莫冬传,符远翔,吕树申. 化工学报. 2017(S1)
硕士论文
[1]化学气相沉积法制备石墨烯薄膜及其光谱表征[D]. 李斌.郑州大学 2019
本文编号：3206752
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题背景
1.2 石墨烯的概述与意义
1.2.1 石墨烯简介
1.2.2 石墨烯的性质
1.2.3 石墨烯的电导率模型
1.3 表面等离激元
1.3.1 局域表面等离激元共振
1.3.2 传播表面等离极化激元
1.3.3 石墨烯表面等离激元与TE波和TM波的色散关系
1.4 石墨烯表面等离激元的国内外研究现状及应用
1.4.1 石墨烯表面等离激元在光学器件上的应用
1.4.2 表面等离激元在生物传感器上的应用
1.4.3 石墨烯表面等离激元在调制器上的应用
1.5 论文的主要研究内容及创新点
1.5.1 论文的主要研究内容
1.5.2 论文的创新点
2 理论基础和数值计算方法
2.1 引言
2.2 理论基础
2.2.1 麦克斯韦方程组
2.2.2 阻抗匹配理论
2.2.3 临界耦合理论
2.3 数值计算方法—时域有限差分方法
2.4 Drude模型
2.5 本章小结
3 基于哑铃形石墨烯的表面等离激元超材料阵列吸收器
3.1 引言
3.2 模型结构与方法
3.3 结果分析与讨论
3.3.1 矩形、条状、圆形和哑铃形石墨烯结构的吸收性能
3.3.2 几何参数对哑铃形石墨烯结构吸收性能的影响
3.3.3 TM偏振时入射角对吸收性能的影响
3.3.4 矩形、条状、圆形和哑铃形石墨烯超材料结构的吸收增强和可调控特性
3.3.5 双层哑铃形石墨烯阵列结构的吸收性能
3.4 本章小结
4 基于周期性排列的分裂环石墨烯超材料阵列结构的三频段完美吸收器
4.1 引言
4.2 模型结构与方法
4.3 结果分析与讨论
4.3.1 几何参数对分裂环石墨烯超材料阵列结构光吸收的影响
4.3.2 化学势和弛豫时间对分裂环石墨烯超材料阵列结构吸收性能的影响
4.3.3 分裂环石墨烯超材料阵列结构的传感性能
4.4 本章小结
5 基于临界耦合理论的超窄带石墨烯完美吸收器
5.1 引言
5.2 模型结构与方法
5.3 结果分析与讨论
5.3.1 TM和 TE偏振的吸收特性和临界耦合状态分析
5.3.2 共振与非共振状态的电场分布
5.3.3 几何参数对结构吸收性能的影响
5.3.4 结构周期与共振峰波长的关系
5.3.5 结构的传感性能
5.4 本章小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间取得的研究成果
(一)公开发表的论文(以第一作者身份发表论文9篇,其余为参与作者)
(二)参加科研项目
(三)学术会议
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯改性高分子材料进展[J]. 韩雨阳,杨建军. 化学推进剂与高分子材料. 2020(02)
[2]基于化学气相沉积技术的粉体石墨烯的制备及能源领域应用[J]. 慈海娜,孙靖宇. 科学通报. 2019(32)
[3]利用表面等离激元成像检测化学气相沉积法生长石墨烯[J]. 魏茹雪,王延伟,江丽雯,孙旭晴,刘虹遥,王畅,路鑫超,卢维尔,夏洋,黄成军. 光学学报. 2019(11)
[4]石墨烯在防腐涂料中的应用进展[J]. 张海永,吕心顶,郑言贞. 涂料工业. 2019(06)
[5]石墨烯在锂离子电池和超级电容器中的应用展望[J]. 崔超婕,田佳瑞,杨周飞,金鹰,董卓娅,谢青,张刚,叶珍珍,王瑾,刘莎,骞伟中. 材料工程. 2019(05)
[6]石墨烯及其衍生物在催化领域的应用[J]. 李孟辉,袁鸣蔚,黄佳,吴鸿杰,李进军,游志雄. 分子催化. 2019(02)
[7]化学气相沉积法制备石墨烯过程的数值模拟研究[J]. 李阳,王飞,赵世龙. 化工新型材料. 2018(12)
[8]Tunable narrowband antireflection optical filter with a metasurface[J]. LUIGI BIBBò,KARIM KHAN,QIANG LIU,MI LIN,QIONG WANG,ZHENGBIAO OUYANG. Photonics Research. 2017(05)
[9]石墨烯制备方法及研究进展[J]. 徐婷,李云珂,彭少贤,赵西坡. 化工新型材料. 2017(08)
[10]石墨烯导热高分子复合材料的制备、性能与机理[J]. 马良,陈楷炫,莫冬传,符远翔,吕树申. 化工学报. 2017(S1)
硕士论文
[1]化学气相沉积法制备石墨烯薄膜及其光谱表征[D]. 李斌.郑州大学 2019
本文编号：3206752
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