石墨烯等幾種典型光電子材料-結(jié)構(gòu)的光電調(diào)控機理的研究.pdf

1、高效、高速和高集成是未來光子學(xué)器件的發(fā)展趨勢。為實現(xiàn)這些目標(biāo)，人們做了大量的研究并由此衍生了許多新興學(xué)科，例如硅基光子學(xué)和表面等離子激元學(xué)。然而，硅材料和金屬材料自身固有的缺陷限制了光子學(xué)器件某些性能的提升，例如集成光源和集成光波長轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)仍需進一步的研究。新型光電材料的出現(xiàn)強烈沖擊著現(xiàn)有的光子學(xué)器件的研究，其中包括稀土離子、量子點、石墨烯和超材料等等。它們具有低損耗、易于集成和人為可調(diào)控等優(yōu)點，非常適用于光子學(xué)器件的設(shè)計，所以近年

2、來逐漸成為國際上該領(lǐng)域的研究熱點。特別是石墨烯材料特殊的光與物質(zhì)相互作用為基于新型光電材料的光源輻射調(diào)控提供了嶄新且富有潛力的實驗平臺。本論文研究了以石墨烯為首的幾種新型光電材料并設(shè)計了基于這些材料的光電調(diào)控器件，事實證明新器件突破了傳統(tǒng)光子學(xué)存在的瓶頸，非常有希望應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換、光通信和光計算等諸多領(lǐng)域。
　　本論文完成的過程中受到了教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項目培育基金和國家自然科學(xué)基金的資助。具體的研究內(nèi)容如下：
　　1．

3、基于量子剪裁的太陽光譜變換研究
　　論文利用粒子光致發(fā)光過程中普遍存在的量子剪裁效應(yīng)將太陽光譜中的紫外光和藍紫光變成更利于單晶硅太陽能電池吸收的近紅外光，從而提升太陽能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率。
　　1） Yb2+-Yb3+共摻系統(tǒng)通過Yb2+離子和Yb3+離子之間的能量轉(zhuǎn)移，將太陽光譜中310 nm附近的能量變換到980 nm附近，更利于單晶硅太陽能電池的吸收。數(shù)值結(jié)果表明，添加Yb2+-Yb3+共摻光譜變換層可使太陽能電池的光

4、伏轉(zhuǎn)換效率提升3%。
　　2）硅量子點摻雜玻璃利用量子點中的多激子產(chǎn)生效應(yīng)，將太陽光譜中的高能光子切割成適合單晶硅太陽能電池吸收的低能光子。計算結(jié)果表明，通過優(yōu)化量子點半徑最高可使太陽能電池的細(xì)致平衡效率提升6%。
　　2．基于石墨烯微納結(jié)構(gòu)的自發(fā)輻射增強效應(yīng)研究
　　論文利用石墨烯表面等離子激元的光場增強特性和超高空間態(tài)密度，設(shè)計了兩種微納結(jié)構(gòu)有效增強了光與物質(zhì)之間的相互作用，使置于其中的量子光源的自發(fā)輻射速率得到大

5、幅提升。
　　1）雙層石墨烯波導(dǎo)利用外加電壓形成中央導(dǎo)波區(qū)域，置于其中的電偶極子能量會以石墨烯表面等離子激元的形式定向傳播。其珀塞爾因子最大可達2.127×106，而且激勵起的主要是“對稱單極模式”。
　　2）石墨烯-玻璃薄膜-石墨烯混合結(jié)構(gòu)采用經(jīng)過化學(xué)摻雜的石墨烯層來束縛電偶極子光場，其珀塞爾因子最高可達1.286×106。相比于雙層石墨烯波導(dǎo)，其優(yōu)勢在于不需外加靜態(tài)電壓，因而制備起來更為簡單。
　　3．基于石墨烯的

6、單光子開關(guān)和波長轉(zhuǎn)換波導(dǎo)研究
　　由于石墨烯具有超高的電子遷移率和三階非線性系數(shù)，所以非常適合用來設(shè)計高速光開關(guān)和集成光波長轉(zhuǎn)換波導(dǎo)。
　　1）設(shè)計了一種基于石墨烯的可通過外加電壓控制的單光子開關(guān)，其調(diào)制速率理論上可達幾十GHz。數(shù)值計算表明，開關(guān)狀態(tài)下的消光比最高可達20.8 dB，且在中心波長附近消光比的3 dB帶寬可達600 GHz。
　　2）設(shè)計了一種石墨烯-氮化硅-硅光子晶體混合波導(dǎo)，通過選取合適的光子晶體波

7、導(dǎo)模式和添加氮化硅緩沖層可將光場能量集中在石墨烯層上。研究結(jié)果表明，其中的四波混頻效率比不加石墨烯的同類結(jié)構(gòu)提升了19.66 dB。
　　4．基于量子真空調(diào)控的反常量子干涉效應(yīng)研究
　　通過調(diào)控各向異性量子真空和各向異性量子光源，我們可以實現(xiàn)兩個正交躍遷之間的反常量子干涉效應(yīng)。
　　1）設(shè)計了一種置于雙曲超材料附近的各向異性量子點系統(tǒng)。雙曲超材料附近的量子真空具有很強的各向異性，配合上量子點自身的各向異性，我們可實現(xiàn)干