【摘要】：電子器件已經(jīng)隨處可見(jiàn),成為人們不可或缺的日常用品�？缛攵皇兰o(jì)之后,光子學(xué)的研究不斷的深入,光子技術(shù)也得到了極大的發(fā)展。然而,相對(duì)于較為成熟的電子技術(shù),光子技術(shù)自身仍然無(wú)法滿足人們的需求,致使電子技術(shù)和光子技術(shù)相結(jié)合的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈。作為電光技術(shù)結(jié)合中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域,兩相鄰材料界面的積累電子氣對(duì)界面與材料的光學(xué)性質(zhì)的影響也越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。本論文中,我們對(duì)體塊鉀鈉鈮酸鍶鋇、氧化銦錫薄膜以及單分子層的石墨烯中的積累電子氣進(jìn)行了研究,探討了在相關(guān)材料界面的電子的積累過(guò)程,分析了積累電子氣對(duì)相關(guān)材料的光折變效應(yīng)、介電常數(shù)以及面電導(dǎo)率等性質(zhì)的影響。我們還推導(dǎo)了適用于超薄層的傳輸矩陣,同時(shí)嘗試將積累電子氣與塔姆結(jié)構(gòu)相結(jié)合,并設(shè)計(jì)出了相關(guān)的光學(xué)器件。我們首先研究了體塊鉀鈉鈮酸鍶鋇(KNSBN)晶體在空氣/KNSBN界面積累電子氣對(duì)光折變效應(yīng)的調(diào)控。利用皮安表測(cè)量回路電流的方式,估算出了電荷積累層的電荷面密度。通過(guò)雙光束干涉實(shí)驗(yàn)觀察到了光折變現(xiàn)象的增強(qiáng)過(guò)程,并從光柵讀取實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了薄相位光柵在此增強(qiáng)過(guò)程中的主導(dǎo)作用。基于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,分析討論了光折變現(xiàn)象增強(qiáng)的內(nèi)部機(jī)制,簡(jiǎn)單介紹了該過(guò)程中表面等離激元存在的可能性和相應(yīng)的激發(fā)過(guò)程。隨后,我們研究了外加電壓作用下氧化銦錫(ITO)薄膜與玻璃界面積累電子氣對(duì)改性層介電常數(shù)的調(diào)控。利用表面等離激元的激發(fā)過(guò)程,測(cè)量了ITO薄膜中電荷積累層的介電常數(shù)實(shí)部。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)使用偏離薄膜本征激發(fā)頻率的808 nm激光,避免了非電荷積累層的影響。通過(guò)引入MayadasShatzkes模型分析了電荷積累層厚度對(duì)電子弛豫時(shí)間的影響,并將積累電子密度、電荷積累層厚度和介電常數(shù)實(shí)部關(guān)聯(lián)起來(lái),進(jìn)而通過(guò)測(cè)得的介電常數(shù)實(shí)部得出相應(yīng)電子的積累情況。另外,研究了外電壓對(duì)電荷積累層介電常數(shù)的影響以及電子積累中存在的緩慢變化過(guò)程。接下來(lái),我們研究了積累電子氣對(duì)單層石墨烯面電導(dǎo)率的調(diào)控。利用Kubo方程得出了單層石墨烯的面電導(dǎo)率,進(jìn)而從理論上分析了積累電子氣對(duì)單層石墨烯面電導(dǎo)率的影響。同時(shí)介紹了多層結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣法,并從麥克斯韋方程組出發(fā),推導(dǎo)出超薄層的透射矩陣,降低了超薄層界面模糊產(chǎn)生的誤差。進(jìn)而利用推導(dǎo)的結(jié)果計(jì)算了積累電子氣堆疊結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳輸性質(zhì),研究了堆疊結(jié)構(gòu)中的帶阻現(xiàn)象以及積累電子氣濃度對(duì)帶阻現(xiàn)象的調(diào)控,同時(shí)探討了層數(shù)、膜厚、入射光的偏振和入射角對(duì)積累電子氣調(diào)控能力的影響。另外,提出了一種特殊情況下的多層結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有較好的可見(jiàn)光波段帶阻現(xiàn)象,對(duì)于電控濾波器件的設(shè)計(jì)有較高應(yīng)用價(jià)值。最后,我們嘗試將積累電子氣與塔姆等離激元相結(jié)合,利用塔姆等離激元的局域場(chǎng)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)積累電子氣調(diào)控能力的提升,進(jìn)而根據(jù)其表現(xiàn)的光學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的光學(xué)器件。將ITO薄膜中的積累電子氣和塔姆結(jié)構(gòu)相結(jié)合,設(shè)計(jì)出了在808 nm附近的可調(diào)諧完美吸收器,并研究了積累電子面密度、薄膜厚度和入射角對(duì)該完美吸收器光學(xué)傳輸性質(zhì)的影響。同時(shí)探討了該完美吸收器對(duì)制備產(chǎn)生的膜厚誤差具有自修復(fù)的能力,即只需通過(guò)改變積累電子氣面密度和入射角就可以實(shí)現(xiàn)缺陷設(shè)備的功能修復(fù)。將單層石墨烯中的積累電子氣與塔姆結(jié)構(gòu)相結(jié)合,設(shè)計(jì)出了在1550 nm附近的可調(diào)諧濾波器,并研究了布拉格光柵周期數(shù)以及單層石墨烯與銀膜的距離對(duì)該濾波器的影響。
【圖文】：

第 1 章 緒 論1.2.2 積累電子氣實(shí)驗(yàn)上的觀測(cè)關(guān)于積累電子氣的研究已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間，早在 19 世紀(jì) 20 年代，人們便開(kāi)始了積累電子氣的研究。早期積累電子氣的研究主要集中在半導(dǎo)體技術(shù)，研究的重點(diǎn)主要是積累電子氣對(duì)半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)的影響。由于積累電子氣在電子技術(shù)方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，，關(guān)于積累電子氣電學(xué)方面的研究一直在持續(xù)不斷的發(fā)展。從最初的硅半導(dǎo)體到氧化物半導(dǎo)體、氮化物半導(dǎo)體、砷化物半導(dǎo)體和有機(jī)物半導(dǎo)體，再到最新的石墨烯、MoS2等材料，都被用于這方面的研究中[16-24]。然而，積累電子氣光學(xué)性質(zhì)方面的研究起步比較晚，近幾年才開(kāi)始逐漸的發(fā)展起來(lái)，其中包括實(shí)驗(yàn)上的測(cè)量和理論的計(jì)算。

圖 1-2. 導(dǎo)電探針測(cè)量 BiFeO3/SrTiO3介質(zhì)介面的電導(dǎo)率[25]iFeO3/SrTiO3介質(zhì)測(cè)切面的原子力顯微形貌圖；b) 利用導(dǎo)電探針測(cè)得的導(dǎo)電流在介質(zhì)的突變；c) 界面的高分辨率透射電鏡圖像Fig 1-2. Conductivity of BiFeO3/SrTiO3interface measured by conductive probe[25]Surface topographic image of BiFeO3/SrTiO3interface measured by AFM; b) Nanoscale cuapping at the interface measured by conductive probe; c) High-resolution TEM image of interface2010 年，F(xiàn)eigenbaum 等人從實(shí)驗(yàn)上研究了 MOS 結(jié)構(gòu)中氧化銦錫薄膜和界面的電荷積累層的折射率隨外電壓的變化[24]，如圖 1-1 所示。他們利用量了不同外電壓下 MOS 結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，并將電荷積累層設(shè)定為 5.0 n勻?qū)�，從而算出了電荷積累層的折射率在可見(jiàn)光波段隨外電壓的變化關(guān) 1-1c)中我們可以發(fā)現(xiàn)，電荷積累層折射率的實(shí)部隨著外電壓的升高（即密度的增加）而逐漸變��；電荷積累層折射率的虛部隨著外電壓的升高
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN03

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本文編號(hào)：2655896