基于石墨烯等離激元及六方氮化硼的微納光器件的研究.pdf

1、在過去的十多年中，石墨烯這種內部碳原子呈蜂窩狀排布的二維材料的足跡遍布從柔性電子器件到電子墨水等一系列的應用之中。石墨烯的存在不僅為顯著提升現有微納器件性能指出了新的方向，更使得設計具有新型功能的石墨烯器件成為了可能。與傳統(tǒng)等離激元相比，石墨烯等離激元具有許多卓越的性質，例如可調諧的載流子濃度以及更強的場束縛能力。六方氮化硼是一種具有雙曲色散曲線的天然范德華晶體，并且其內部支持的雙曲聲子極化模式具有與石墨烯等離激元相接近的色散特性，但更

2、低的傳輸損耗。石墨烯-六方氮化硼異質結具有眾多優(yōu)越特性，例如作為襯底，能夠維持覆蓋在其表面石墨烯的杰出電學特性以及支持等離激元-聲子極化混合模式的傳播等等。等離激元-聲子極化混合模式因兼具有石墨烯等離激元的寬帶性，可調諧性以及雙曲聲子極化模式的低損耗特性而成為了新興的研究熱點。本文的主要研究成果以及創(chuàng)新點簡述如下:
　　1.首次提出了基于石墨烯-介質多層結構的雙曲超材料波導并分別通過數值計算以及等效介質理論研究了其內部所支持模式的

3、傳播特性。超材料本身所具有的雙曲色散特征允許該波導支持具有高達90的有效折射率的模式的傳播。在由兩個相同的雙曲超材料波導并列放置而形成的縫隙波導結構中，縫隙區(qū)域中電場的幅值可以被增強約20倍且有高于70％的模式能量被束縛在其中，這大大優(yōu)于之前報道的基于硅以及傳統(tǒng)雙曲超材料的縫隙波導結構。
　　2.首次利用在磁光晶體上石墨烯等離激元傳播的非互易性設計了一系列基于石墨烯等離激元的非互易器件，包括等離激元環(huán)形器，等離激元隔離器，磁控等離

4、激元邏輯門器件和非互易等離激元振子。其中石墨烯等離激元隔離器能夠實現低至2dB的插入損耗以及高達42dB的消光比，并且其使能方向可以通過外加磁場的方向進行控制。根據邏輯布爾運算(Boolean Algebra)設計了磁控石墨烯等離激元邏輯門器件。邏輯門器件對于沿某一方向輸入的等離激元邏輯表達為或門(OR)或與門(AND)，而對相反方向輸入的等離激元表達為與非門(NAND)或或非門(NOR)。其中或門和與非門具有3dB的插入損耗并能夠實現

5、高達13.6dB的消光比，而與門和或非門具有2.5dB的插入損耗以及最低為17.5dB的消光比。非互易等離激元振子基于石墨烯覆蓋的磁光材料納米線結構，當上述結構與一個普通石墨烯片狀波導相耦合時，兩者組成具有非互易透射率的石墨烯等離激元濾波器，同樣也具有實現等離激元隔離器的潛力。隔離器的消光比可以通過外加磁場的大小來進行調節(jié)并且其使能方向可以通過反轉外加磁場的方向來進行切換，在適當的外加磁場以及結構參數下該隔離器可以實現大于25dB的消光

6、比。
　　3.首次提出了基于石墨烯覆蓋的錐形介質納米線的探針結構，用于在紅外波段實現強場增強效應。絕熱近似模型以及數值計算結果顯示石墨烯覆蓋的錐形納米線探針能夠實現比普通錐形金屬探針強約一個數量級的場增強效應且最大場幅值增強因子為24。提出了石墨烯覆蓋的納米線波導對結構，并分別分析了波導對結構所支持的六個最低階模式的有效折射率，歸一化傳播長度，表面電荷分布以及模場分布情況。根據研究結果，六個最低階的模式可以根據其雜化情況分為單極子

7、-單極子雜化類型以及雙極子-雙極子雜化類型。研究發(fā)現在納米線波導對縫隙區(qū)域的場增強因子可以高達107，相較于銀納米線波導對而言至少提升了六個數量級。除此之外，兩個納米線之間的梯度力高達20nN/μm×mW，高于銀納米線波導對以及其他之前提出的縫隙波導結構50倍有余。
　　4.首次提出了基于石墨烯覆蓋的螺旋形介質光柵或石墨烯上覆蓋的螺旋型三角金屬天線陣列的圓偏振分析儀。當介質光柵或三角金屬天線作為激發(fā)源且激發(fā)源陣列的幾何相位效應與入

8、射圓偏振光所攜帶的自旋角動量相同或相反時，在透鏡中心等離激元被分別聚焦為空心圈狀或實心點狀分布。得益于石墨烯等離激元的可調諧性，在不影響分析儀工作特性的前提下，分析儀的工作波長可以通過石墨烯費米能級來加以調節(jié)，并能夠實現高達550的消光比。首次采用具有排列為螺旋型且指向方向互相垂直的兩列矩形納米金屬天線實現等離激元定向激發(fā)的方式來提升圓偏振分析儀的性能。在等離激元定向激發(fā)的作用下，圓偏振分析儀所實現的消光比將會被進一步提升至103以上。

9、
　　5.首次提出六方氮化硼縫隙波導結構并研究其縫隙區(qū)域支持的場增強效應，模式能量束縛效應以及兩個六方氮化硼波導之間的梯度力現象。二維結構的六方氮化硼縫隙波導可以實現接近于60的場增強因子，接近于80％的功率束縛因子以及-8.5nN/μm×mW的梯度力，這大大高于基于傳統(tǒng)雙曲超材料的縫隙波導結構。長1μm的三維縫隙波導結構可以實現約為-1.2nN/mW的梯度力以及約為50％的功率束縛因子。利用數值計算分析了在楔形石墨烯-六方氮化硼