【摘要】：石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來便以優(yōu)異的性能引起了廣泛關(guān)注,人們已經(jīng)將石墨烯用于制備超級電容器、超快晶體管、超快光子探測器、超快鎖模激光器等器件中,在場效應(yīng)晶體管、光伏電池、液晶顯示等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,石墨烯在光學應(yīng)用領(lǐng)域存在如下缺點:單原子層厚度的石墨烯厚度極薄不易被識別;在可見和近紅外波段,石墨烯載流子發(fā)生帶間躍遷到導帶,對光的吸收主要由帶間躍遷決定,實驗測量到的吸收率僅為2.3%。這些缺點極大限制了石墨烯在光電領(lǐng)域的應(yīng)用。因此研究增強石墨烯的光吸收具有現(xiàn)實意義。近年來國內(nèi)外報道提高石墨烯吸收率的研究有很多,但有的方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜且吸收率并不能實現(xiàn)寬波段、寬角度的吸收增強。為此,本論文以波導-光柵共振結(jié)構(gòu)增強石墨烯光吸收為研究重點,提出光學共振結(jié)構(gòu)用于提高單層石墨烯的光吸收能力,對每種結(jié)構(gòu)增強石墨烯的吸收機理進行了深入研究,主要內(nèi)容包括以下幾點:1.提出一種基于導模共振布儒斯特濾波器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)增強單層石墨烯的光吸收。該結(jié)構(gòu)為一層光柵層與基底,在未加入石墨烯層時,由于結(jié)構(gòu)的導模共振效應(yīng)會產(chǎn)生一個突變的反射峰,入射光照入石墨烯層后在共振波長處會增強與光的相互作用,使得截面處電場增強,吸收率被提高。利用等效介質(zhì)理論和嚴格耦合波分析法對結(jié)構(gòu)的吸收率進行計算,得出吸收譜線,發(fā)現(xiàn)電磁波以布儒斯特角入射時,在632.8 nm波長處出現(xiàn)一個極窄的吸收峰,且吸收率最高被提高到55%。2.引入“三模式吸收器”理論模型,通過使用一個光柵層與介質(zhì)層再組合一個光柵層或介質(zhì)層的三層波導結(jié)構(gòu),實現(xiàn)石墨烯對光的吸收增強。其中,三層波導結(jié)構(gòu)可以看成兩個無損諧振器,石墨烯層可以看作一個有損諧振器,當整個結(jié)構(gòu)的泄露率與損耗率相當,即滿足“臨界耦合”條件時,會出現(xiàn)100%吸收。根據(jù)“三模式”吸收結(jié)構(gòu)的吸收機理,設(shè)計了兩種不同的結(jié)構(gòu),在第四章中分別對每種結(jié)構(gòu)展開相關(guān)研究,通過使用嚴格耦合波分析法計算出吸收光譜圖,得到這兩種結(jié)構(gòu)分別在1680 nm和980 nm波長附近會出現(xiàn)近100%的完美吸收。3.考慮到所設(shè)計的結(jié)構(gòu)需要應(yīng)用到實際的光電器件,而對于前面提出的波導光柵結(jié)構(gòu)中光柵層的制備,無法保證大面積生產(chǎn)而無誤差,且單層石墨烯的制備與轉(zhuǎn)移同樣存在著困難,于是又提出一種更易于推廣到大面積生產(chǎn)的石墨烯-介質(zhì)-金屬(GIM)結(jié)構(gòu)。該GIM結(jié)構(gòu)使得石墨烯層與最底部的金屬層形成類似于FP共振腔,當光照入結(jié)構(gòu)中在共振腔多次與石墨烯作用,實現(xiàn)石墨烯光吸收率的提高。在對該結(jié)構(gòu)計算中發(fā)現(xiàn),當石墨烯層為10層時會在500 nm和800 nm范圍附近出現(xiàn)兩個100%的吸收峰,通過調(diào)整介質(zhì)層的厚度更會出更多的吸收峰。
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN25
【圖文】：

南京信息工程大學碩士學位論文石墨烯的每個碳原子皆為ｓｐ２雜化，每個原子貢獻出ｐ軌道電子形成鍵，電子可由移動，賦予石墨烯優(yōu)良的電學性質(zhì)。經(jīng)過實驗測量，石墨烯的遷移率可達２Ｘ１２／（Ｖ＿ｓ）［１３］，約為硅中電子遷移率的１４０倍。石墨烯優(yōu)異的導電性還表現(xiàn)在其電導率１０６Ｓ／ｍ［１４］，其面電阻約為３ｉｎ／ｓｐ，是室溫下的導電材料。石墨烯同時還具有優(yōu)異學與熱學性能，石墨烯的強度理論上可以達到普通鋼的１００倍，是己知材料中強度的品體結(jié)構(gòu)。在室溫下，石墨烯的熱導率約為５邋ｘ邋１邋0３邋Ｗ／ｍ邋？邋Ｋ［邋１５１，是銅熱導率（４０１邋Ｗ／ｍ．１０倍多。逡逑

射區(qū)和透射區(qū)的電磁場表達式，通過數(shù)學求解可以求得入射區(qū)和透射區(qū)各級衍射波的振逡逑幅。根據(jù)所求得的振幅進一步可以計算各級衍射波的衍射效率或衍射場的強度分布等。逡逑一維矩形光柵結(jié)構(gòu)如圖２－ｌ（ａ）所示，設(shè)該光柵的周期為兒占空比為／，槽深為Ａ逡逑低折射率部分（無材料介質(zhì)填充部分）的折射率為《ｇｒ，高折射率部分（有介質(zhì)材料填逡逑充部分）的折射率為《，．ｄ。整個空間分為入射區(qū)、光柵區(qū)、透射區(qū)三個區(qū)域，入射區(qū)和逡逑透射區(qū)的折射率分別為《丨和《丨丨，取光柵矢量在；ｃ方向，ｚ軸垂直于邊界方向，在光柵區(qū)逡逑內(nèi)（０＜ｚ々／）周期性的相對介電常數(shù)展開為Ｆｏｕｒｉｅｒ級數(shù)形式：逡逑／、邐（邋■邋２ｎｈｘＮ逡逑ｅ（ｘ）邋＝邋２ＪｇｃＭｊ－Ｔ－逡逑ｄ邋Ｖ邋Ａ邐（２－１）逡逑－１１邋－逡逑

邐（２＇３0）逡逑（．ｓｏ逡逑２７0ｒｅ邋＋逡逑下圖２－２中所示為使用轉(zhuǎn)移矩陣法計算出的真空中單層未摻雜石墨烯的透射率｜Ｔ｜２逡逑和反射率丨／？丨＇２。逡逑１邋？0邐ｉ邋邋ｒ．邋ｎ邋邋？邋ｒ邋邋邋１邋ｉ邋＾逡逑２邐一邋－－邋一一逡逑——ｉＲｒ邐ｚ廣－一逡逑０．８邐Ｉ－－邋ＩＴＩ２邋，邋’邋一逡逑�，’：辶x希彥澹彥澹斟�，邋｜邋，邋｜邋，邋｜邋，邋劐，邋辶x希板危沖澹跺危瑰危保插澹保靛義希疲潁澹瘢酰澹睿悖澹郟裕齲蒎義賢跡玻艙嬋罩械ゲ鬮粼郵┑耐干瀆屎頭瓷瀆叔義瞎鬩迤子蛑甘卣蠹際跤胱憑卣蠓ㄏ嗨

本文編號：2760707