碳基材料与太赫兹波的相互作用

发布时间：2017-12-17 11:11

  本文关键词：碳基材料与太赫兹波的相互作用

  更多相关文章： 太赫兹 石墨烯等离激元 石墨烯 石墨 超材料

【摘要】：碳元素是构成各种有机物乃至生命物质的基本元素。碳基材料,如石墨、石墨烯以及碳纳米管等已经被人们所熟知,但它们与太赫兹波的相互作用还很少被研究。本文主要就石墨太赫兹产生,以及石墨烯太赫兹调制两方面的工作进行讨论,从一个新的视角揭示碳基材料的物理特性,同时展示石墨烯在太赫兹调制方面的应用潜力。关于石墨产生太赫兹波的研究最早始于2009年,随后陆续有几篇文献做了跟进,但是至今研究者们对其物理机制还没有统一的定论。我们首次对石墨太赫兹辐射进行了原位的电学调制,发现太赫兹幅值随电压连续变化,且当电压变号时太赫兹波形出现反转,这一实验结果直接揭示了石墨产生太赫兹波的物理机制——表面场驱动光生载流子运动产生瞬态电流,进而辐射出太赫兹波。同时我们还发现,与半导体材料不同,石墨产生的太赫兹信号在电调制下更易饱和,且正负偏压下的饱和幅值差异较大,其比值接近于一个常数2.3。依据第一性原理的仿真结果,我们定量地证明了这是源于石墨内电子和空穴有效质量的差异。石墨烯等离激元是近几年比较热门的研究方向,它和太赫兹波的相互作用更是一个崭新的研究课题,这其中可能蕴藏着很多未知的物理问题等待人们挖掘和探究。目前研究者们已经发现了石墨烯等离激元有别于传统半导体二维电子气的一些独特的物理性质,并且展示了其在太赫兹频段的应用潜力。我们关于此课题的研究主要可以分为两个方面:1)通过计算机仿真优化石墨烯超材料的结构和尺寸,以期利用石墨烯等离激元实现0.1~3THz频段的大幅度的选频调制。我们利用CST软件对三种反相结构的石墨烯超材料进行了仿真:圆孔阵列、矩形孔阵列和互补型共振劈裂环阵列(CSRR)。通过比较我们发现,CSRR结构的调制深度最大,这为石墨烯在太赫兹调制以及红外传感等方面的应用提供了一个新的优化方案;2)制备基于CSRR结构石墨烯超材料的太赫兹选频调制器。实验结果显示,此调制器能实现两个偏振的大幅度调制,且调制度均达到了35%,这是目前文献报道的利用纯石墨烯结构进行选频调制的最高纪录。而且通过图案设计,我们将石墨烯等离激元的谐振频率调到了0.5THz,据我们所知,这是目前文献报道的石墨烯等离激元谐振的最低频率。由于0.1~3THz是目前绝大多数THz-TDS系统的工作频段,所以我们的工作也进一步促进了石墨烯等离激元在太赫兹调制方面的应用;由于0.1THz非常接近于电学应用的频率范围,这为石墨烯光电应用的发展提供了可能。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O441.4

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