在納米尺度下操控金屬與石墨烯表面等離子及其器件設(shè)計(jì).pdf

1、本文采用時(shí)域有限差分方法研究各種系統(tǒng)中的表面等離子極化的調(diào)控。一般來說主要存在幾種操控或控制表面等離子波的行為。其一是改變材料，可以是介質(zhì)，金屬，甚至是半導(dǎo)體材料；其二是改變支持表面等離子波結(jié)構(gòu)的形狀；或者既改變材料也改變形狀。對(duì)激發(fā)表面等離子極化波來說，材料的性質(zhì)尤為重要。正因?yàn)橘F金屬像金或銀在可見光頻段具有極大的負(fù)的相對(duì)介電常數(shù)，這對(duì)誘導(dǎo)極化電荷是最關(guān)鍵的。最近幾年，發(fā)現(xiàn)石墨烯在遠(yuǎn)紅外和太赫茲頻段也具負(fù)的介電常數(shù)，于是興起了石墨烯表

2、面等離子波的研究。本文中，對(duì)各種材料包括貴金屬和石墨烯上所激發(fā)的表面等離子極化在各個(gè)納米系統(tǒng)中的進(jìn)行調(diào)控，并對(duì)其中的新穎現(xiàn)象和效應(yīng)一單納米縫的異常透射增強(qiáng)、超納米系統(tǒng)中的非局部響應(yīng)、二維表面等離子調(diào)制器中的諧振效應(yīng)和二維超材料中表面等離子誘導(dǎo)透明進(jìn)行了初步地討論，分析得出其調(diào)制機(jī)理，這對(duì)基于各種材料的實(shí)用表面等離子器件的設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義。
　　用時(shí)域有限差分方法研究了金屬檔板和金屬錐形結(jié)構(gòu)對(duì)單納米狹縫的異常透射的調(diào)制。當(dāng)

3、工作波長(zhǎng)固定單一波長(zhǎng)時(shí)，詳細(xì)地研究了此復(fù)合結(jié)構(gòu)的透射效率對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴關(guān)系。數(shù)值模擬結(jié)果表明金屬檔板構(gòu)成的納米天線能增強(qiáng)錐形狹縫的異常透射。倒置的錐形狹縫構(gòu)成了一個(gè)反聚焦的系統(tǒng)對(duì)金屬一介質(zhì)一金屬縫隙表面等離子波（GSPs)有反聚焦效果，也就是能將金屬上表面的GSPs耦合到下表面并且輻射成自由空間中的波，更有意思的是原本由于邊界阻抗不匹配所形成的Fabry-Perot諧振效應(yīng)也隨著錐角的增大而消失。它的透射效率與相對(duì)應(yīng)的直狹縫的情形

4、相比增加了近50％。另外錐形狹縫的結(jié)構(gòu)參數(shù)（錐角與狹縫長(zhǎng)度）改變時(shí)幾乎不改變水平腔的場(chǎng)強(qiáng)諧振。此復(fù)合結(jié)構(gòu)的透射譜可以通過控制錐角來調(diào)控。錐形狹縫的這些特性對(duì)納米光器件的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。
　　探索了空心圓柱納米線系統(tǒng)中的表面等離子諧振模式與非局部響應(yīng)的關(guān)系。數(shù)值模擬結(jié)果表明由于空心圓柱納米線的內(nèi)外表面的場(chǎng)強(qiáng)耦合導(dǎo)致表面等離子諧振模式的劈列，分別為低頻率模式和高頻率模式。由于空心納米線的厚度為2nm引起很強(qiáng)的非局部響應(yīng)。非局部響應(yīng)對(duì)高

5、頻率模式的影響非常明顯，比如場(chǎng)增強(qiáng)因子可以改變20%而低頻率模式卻只有1.5%。這主是要因?yàn)楦哳l率模式的場(chǎng)強(qiáng)集中的金屬內(nèi)，導(dǎo)致納米尺寸金屬中存在的非局部響應(yīng)較明顯，也就是說由非局部響應(yīng)引起的修正行為取決于諧振模式的性質(zhì)。然后計(jì)算了此非局部模型的消光效應(yīng)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：空心納米線的厚度，空心納米線的均半徑和空心處填充的介質(zhì)。不難發(fā)現(xiàn)高頻率模式在改變均半徑和空心處的折射率時(shí)具有更大的穩(wěn)定性。再者，當(dāng)空心圓柱納米線非同心時(shí)

6、會(huì)出現(xiàn)更多的物理現(xiàn)象。比如多模式和納米聚焦效應(yīng)。在非同心的納米線可心實(shí)現(xiàn)27000的最大場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)因子，這在很多的納米尺寸下的領(lǐng)域有應(yīng)用，比如設(shè)計(jì)納米天線，納米傳感和納米非線性光學(xué)等。
　　仿真分析了短的納米條帶對(duì)無限大石墨烯上表面等離波傳播行為的調(diào)制。數(shù)值模擬結(jié)果表明單層石墨烯上傳播的表面等離子波對(duì)附近的摻雜的的石墨烯條帶很敏感。這里存在兩大調(diào)制石墨烯表面等離子波的機(jī)理，其一是在石墨烯條帶上形成的線諧振腔；其二是石墨烯條帶對(duì)表面等

7、離子波的反射形成的駐波。由于石墨烯條帶上的化學(xué)勢(shì)的可調(diào)性，因此可以通過門電壓或化學(xué)摻雜來動(dòng)態(tài)調(diào)控石墨烯上的表面等離子波的行為。另外這個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)決定于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也就是寬度或距離調(diào)控。這種石墨烯條帶的調(diào)控行為為石墨烯表面等離子波的調(diào)控提供了新的方法，這有助于設(shè)計(jì)紅外和太赫茲波段的表面等離子器件。
　　設(shè)計(jì)了幾種基于窄的石墨烯條帶波導(dǎo)的二維調(diào)制器，包括石墨烯尺形結(jié)構(gòu)，圓盤結(jié)構(gòu)，圓環(huán)結(jié)構(gòu)。研究了各自對(duì)條帶波導(dǎo)模式的傳輸影響

8、。在尺形結(jié)構(gòu)中，計(jì)算了尺形的長(zhǎng)寬和化學(xué)勢(shì)與條帶波導(dǎo)模式傳輸率的關(guān)系。條帶波導(dǎo)模式受到尺形長(zhǎng)度的周期調(diào)制。受到圓盤的半徑和圓環(huán)的外半徑的周期調(diào)制。均可以通過門電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控條帶波導(dǎo)的開關(guān)狀態(tài)。還計(jì)算了條帶波導(dǎo)受這些結(jié)構(gòu)調(diào)制下的頻譜，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)均可適合濾波器件的設(shè)計(jì)。這些結(jié)構(gòu)是將來構(gòu)建石墨烯表面等離子光回路的基石。
　　研究了基于石墨烯條構(gòu)成的超材料的電磁響應(yīng)。此復(fù)合結(jié)構(gòu)中的一個(gè)單元由三個(gè)相同尺寸的石墨烯條構(gòu)成，一個(gè)在中間，兩個(gè)在邊上