石墨烯-金屬?gòu)?fù)合納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元效應(yīng)研究.pdf

1、石墨烯是一種由蜂窩狀有序排列的平面碳原子組成的單原子厚度的二維晶體。它具有獨(dú)特的零帶隙電子能帶結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性能。這些優(yōu)異的性能使石墨烯在光電器件應(yīng)用上具有廣闊的前景。然而在近紅外和可見(jiàn)光頻段，單原子層的石墨烯與光的相互作用相對(duì)較弱，使該頻段的石墨烯光電器件的開(kāi)發(fā)受到一定的限制。這種限制主要體現(xiàn)在兩方面:一是該頻段內(nèi)的石墨烯對(duì)入射光的吸收效率較低，無(wú)法滿足石墨烯光電探測(cè)器的應(yīng)用需求;二是該頻段內(nèi)的石墨烯對(duì)空間電磁波響

2、應(yīng)的電調(diào)控能力較弱，導(dǎo)致石墨烯電光調(diào)制器性能較弱。
　　本學(xué)位論文正是基于上述問(wèn)題，研究可見(jiàn)光與近紅外頻段內(nèi)石墨烯與光相互作用的增強(qiáng)方法。
　　一方面，在可見(jiàn)光頻段內(nèi)，利用超材料完美吸收體中的超薄狹縫波導(dǎo)模型，提出一種基于金屬層-介質(zhì)層-石墨烯-介質(zhì)層-金屬層（metal-dielectric-graphene-dielectric-metal，MDGDM）的石墨烯表面等離激元結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中的石墨烯對(duì)可見(jiàn)光的吸收率達(dá)64.8％

3、。石墨烯對(duì)可見(jiàn)光的吸收譜還可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的各個(gè)幾何參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，并且該吸收譜不依賴于入射光的角度變化。另外，通過(guò)設(shè)置不同寬度的金屬納米條塊分布，還能使石墨烯對(duì)入射光的吸收譜呈寬帶特性。MDGDM結(jié)構(gòu)對(duì)于可見(jiàn)光頻段內(nèi)的石墨烯增強(qiáng)吸收體設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。
　　另一方面，在近紅外頻段內(nèi)，利用狹縫增強(qiáng)吸收模型，提出一種電可調(diào)的等離激元超材料吸收體(plasmonic metamaterial absorbers，PMAs)，它的反射

4、譜可以通過(guò)門控電壓來(lái)進(jìn)行調(diào)制。作為一種石墨烯空間電光調(diào)制器，由于結(jié)構(gòu)中的狹縫模型對(duì)石墨烯和光的相互作用有極大的增強(qiáng)作用，該調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)86.7％的調(diào)制深度，以及258.2nm的諧振波長(zhǎng)調(diào)制偏移量。采用等效電路理論和電磁場(chǎng)分布原理，對(duì)這種狹縫增強(qiáng)效應(yīng)的物理機(jī)制進(jìn)行深入探索。通過(guò)一系列數(shù)值仿真，得出狹縫高度和寬度對(duì)調(diào)制器性能的影響規(guī)律，并用石墨烯等離激元效應(yīng)對(duì)該規(guī)律進(jìn)行理論分析。為了將該調(diào)制器的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到近紅外的不同波段，還可以通

5、過(guò)改變最上層納米金屬條塊的寬度，來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)制器的工作波長(zhǎng)，滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。該結(jié)構(gòu)對(duì)于近紅外頻段內(nèi)石墨烯空間電光調(diào)制器的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。
　　另外，為了將上述二維石墨烯等離激元器件推廣到三維結(jié)構(gòu)，提高數(shù)值仿真效率至關(guān)重要。本論文利用邊界積分譜元法，通過(guò)合適的網(wǎng)格劃分，對(duì)不同形狀的三維石墨烯吸收體進(jìn)行仿真分析。通過(guò)與時(shí)域有限差分法(FDTD)對(duì)比，在相同運(yùn)行環(huán)境下，邊界積分譜元法對(duì)三維石墨烯等離激元結(jié)構(gòu)的仿真效率是FDT