石墨烯是一種二維單層超材料,由碳原子以蜂巢狀排列密布而成。石墨烯因具有眾多獨一無二的特性,深受專家學者的熱切關注,被認為是劃時代的新型材料。石墨烯在紅外波段的電磁特性類似于金屬,能夠支持表面等離激元的傳播,表面等離激元可以突破固有衍射極限,實現(xiàn)超高分辨率的光學成像及超高精度的光刻技術。石墨烯相比于傳統(tǒng)的貴金屬表面等離激元材料,可以獲得更小的傳輸損耗,實現(xiàn)更長的傳播長度,同時對傳輸模式電磁場有更強的束縛能力。利用石墨烯的表面電導可調諧性,石墨烯表面等離激元能夠超越光電器件的幾何結構限制,實現(xiàn)偏置電壓對器件電磁響應的調節(jié)功能,擴展石墨烯器件的應用范圍。本文提出了多種新型石墨烯光器件,并通過幾何建模和數(shù)值仿真對其進行理論研究和性能分析。論文的主要研究成果以及創(chuàng)新點簡述如下:1.提出了一種石墨烯多層納米線波導,此波導由石墨烯和介質層相互包裹構成,具有超高的模式有效折射率,對光場具有很強的束縛作用,能夠很好地控制表面等離激元在波導內部傳輸。石墨烯多層納米線波導支持多個無截止的傳輸模式,可以在小體積下依然實現(xiàn)多模傳輸,有利于應用在傳感領域。通過調節(jié)石墨烯費米能級可以改變波導的傳輸模式特性,實現(xiàn)石墨烯波導突破結構限制的可調諧性。2.提出了一種小有效模場面積的石墨烯方形波導,此波導幾何尺寸在微納量級,很適合應用在高集成度的光芯片中。當石墨烯方形波導工作頻率大于20.8 THz時,波導中表面等離激元的傳播長度優(yōu)于同尺寸的納米線波導,同時歸一化有效模場面積大小在10-5量級,比納米線波導歸一化有效模場面積小2個數(shù)量級。3.提出了一種基于石墨烯納米帶陣列和石墨烯薄片的單頻帶石墨烯吸收器,其吸收率極高且結構簡單。通過數(shù)值仿真,在吸收譜中頻率為10.9 THz處,可以得到一個近乎完美的吸收峰,吸收率可達99.5%。通過調整單頻帶石墨烯吸收器的幾何結構參數(shù),對吸收器的性能進行了進一步的分析。根據性能分析結果優(yōu)化吸收器的結構參數(shù),將吸收器的吸收峰調整到了太赫茲波段,在頻率為6.15 THz時獲得了吸收率為99.9%的吸收峰。另外,使用偏置電壓可以實現(xiàn)對單頻帶石墨烯吸收器吸收峰的調節(jié)功能,證明了單頻帶石墨烯吸收器能夠適用于多種應用環(huán)境。4.提出了一種新型的雙頻帶石墨烯吸收器,吸收器兩個吸收峰的頻率分別為4.95 THz和9.2 THz,兩個吸收峰的峰值分別高達99.8%和99.6%。深入分析了雙頻帶石墨烯吸收器結構參數(shù)和吸收性能之間的關系,進一步討論了入射角度偏差對雙頻帶石墨烯吸收器吸收效率的影響,驗證了該吸收器具有很好的入射角度偏差容忍性。5.提出了一種石墨烯雙層波導對場增強器,利用石墨烯雙層波導之間的耦合原理,將場增強器中傳輸?shù)谋砻娴入x激元能量集中在兩個雙層波導之間極小的狹縫中,實現(xiàn)了區(qū)域的場增強效應。石墨烯雙層波導對場增強器的場增強因子可以達到108,比之前報道的單層石墨烯波導對場增強器的場增強因子107大一個數(shù)量級,同時將其與金屬的雙層波導對進行對比,證實了石墨烯雙層波導對的場增強效果明顯優(yōu)于金屬雙層波導對。
【學位單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TQ127.11;TN256
【部分圖文】：

石墨烯是碳原子以蜂巢狀排列構成（左上），石墨是由石墨烯堆疊形由石墨烯卷曲成柱狀形成（左下），富勒烯（Ｃ６0）是由六邊形晶格的五邊形構型包覆形成的分子結構（右下）［２３１。逡逑１－２邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋（ｔｏｐ邋ｌｅｆｔ）邋ｉｓ邋ａ邋ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ邋ｌａｔｔｉｃｅ邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｎ邋ａｔｏｍｓ．邋Ｇｒａｐｈｉｔｅ邋（ｔ邋ａｓ邋ａ邋ｓｔａｃｋ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｌａｙｅｒｓ．邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｌｅｆｔ）邋ａｒｅ邋ｒｏｌｌｅｄ－ｕｐ邋ｃｅｎｅ．邋Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｒｉｇｈｔ）邋ａｒｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ邋ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ｗｒａｐｐｅｄ邋ｇｒａｐｈｅｎｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｎｔａｇｏｎｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｈｅｘａｇｏｎａｌ邋ｌａｔｔｉｃｅ１２邋’】．逡逑在光學響應方面也具有獨特特性，石墨烯的光學特性可以。２００８年Ｆ．邋Ｗａｎｇ等人發(fā)現(xiàn)石墨烯具有很強的帶間躍遷［２４］，大幅調整石墨烯的光躍遷。由于傳統(tǒng)金屬晶體結構的原因，能夠提供可調性。石墨烯可以通過偏置電壓實現(xiàn)帶隙調節(jié)，了設計和優(yōu)化器件所需的靈活性。２００９年Ｙ．邋Ｚｈａｎｇ等人使用石墨烯電子帶隙寬范圍可調節(jié)的實驗［２５］，使用偏置電壓可以范圍高達２５０邋ｍｅＶ。石墨烯的光躍遷和雙層石墨烯的層間依通過偏置電壓進行調節(jié)，這種可調節(jié)特性會在紅外光學和光

＇？蠢■■逡逑圖１－２石墨烯是碳原子以蜂巢狀排列構成（左上），石墨是由石墨烯堆疊形成（右上），逡逑碳納米管是由石墨烯卷曲成柱狀形成（左下），富勒烯（Ｃ６0）是由六邊形晶格的石墨烯轉變?yōu)殄义衔暹呅螛嬓桶残纬傻姆肿咏Y構（右下）［２３１。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋（ｔｏｐ邋ｌｅｆｔ）邋ｉｓ邋ａ邋ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ邋ｌａｔｔｉｃｅ邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｎ邋ａｔｏｍｓ．邋Ｇｒａｐｈｉｔｅ邋（ｔｏｐ邋ｒｉｇｈｔ）邋ｃａｎ逡逑ｂｅ邋ｖｉｅｗｅｄ邋ａｓ邋ａ邋ｓｔａｃｋ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｌａｙｅｒｓ．邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｌｅｆｔ）邋ａｒｅ邋ｒｏｌｌｅｄ－ｕｐ邋ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ邋ｏｆ逡逑ｇｒａｐｈｅｎｅ．邋Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｒｉｇｈｔ）邋ａｒｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ邋ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ｗｒａｐｐｅｄ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｂｙ邋ｔｈｅ逡逑ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｎｔａｇｏｎｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｈｅｘａｇｏｎａｌ邋ｌａｔｔｉｃｅ１２邋’】．逡逑石墨烯在光學響應方面也具有獨特特性，石墨烯的光學特性可以通過偏置電逡逑壓進行調節(jié)。２００８年Ｆ．邋Ｗａｎｇ等人發(fā)現(xiàn)石墨烯具有很強的帶間躍遷［２４］，通過偏置逡逑電壓可以大幅調整石墨烯的光躍遷。由于傳統(tǒng)金屬晶體結構的原因，其帶隙是固逡逑定的，不能夠提供可調性。石墨烯可以通過偏置電壓實現(xiàn)帶隙調節(jié)，這一特性極逡逑大地滿足了設計和優(yōu)化器件所需的靈活性。２００９年Ｙ．邋Ｚｈａｎｇ等人使用偏置電壓實逡逑現(xiàn)了雙層石墨烯電子帶隙寬范圍可調節(jié)的實驗［２５］

＇？蠢■■逡逑圖１－２石墨烯是碳原子以蜂巢狀排列構成（左上），石墨是由石墨烯堆疊形成（右上），逡逑碳納米管是由石墨烯卷曲成柱狀形成（左下），富勒烯（Ｃ６0）是由六邊形晶格的石墨烯轉變?yōu)殄义衔暹呅螛嬓桶残纬傻姆肿咏Y構（右下）［２３１。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋（ｔｏｐ邋ｌｅｆｔ）邋ｉｓ邋ａ邋ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ邋ｌａｔｔｉｃｅ邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｎ邋ａｔｏｍｓ．邋Ｇｒａｐｈｉｔｅ邋（ｔｏｐ邋ｒｉｇｈｔ）邋ｃａｎ逡逑ｂｅ邋ｖｉｅｗｅｄ邋ａｓ邋ａ邋ｓｔａｃｋ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｌａｙｅｒｓ．邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｌｅｆｔ）邋ａｒｅ邋ｒｏｌｌｅｄ－ｕｐ邋ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ邋ｏｆ逡逑ｇｒａｐｈｅｎｅ．邋Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ邋（ｂｏｔｔｏｍ邋ｒｉｇｈｔ）邋ａｒｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ邋ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ｗｒａｐｐｅｄ邋ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｂｙ邋ｔｈｅ逡逑ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｐｅｎｔａｇｏｎｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｈｅｘａｇｏｎａｌ邋ｌａｔｔｉｃｅ１２邋’】．逡逑石墨烯在光學響應方面也具有獨特特性，石墨烯的光學特性可以通過偏置電逡逑壓進行調節(jié)。２００８年Ｆ．邋Ｗａｎｇ等人發(fā)現(xiàn)石墨烯具有很強的帶間躍遷［２４］，通過偏置逡逑電壓可以大幅調整石墨烯的光躍遷。由于傳統(tǒng)金屬晶體結構的原因，其帶隙是固逡逑定的，不能夠提供可調性。石墨烯可以通過偏置電壓實現(xiàn)帶隙調節(jié)，這一特性極逡逑大地滿足了設計和優(yōu)化器件所需的靈活性。２００９年Ｙ．邋Ｚｈａｎｇ等人使用偏置電壓實逡逑現(xiàn)了雙層石墨烯電子帶隙寬范圍可調節(jié)的實驗［２５］

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 葉琳;;石墨烯產業(yè)前沿技術發(fā)展方向研究[J];新材料產業(yè);2019年09期

2 郝麗娜;;石墨烯復合材料的制備、表征及性能[J];化工設計通訊;2019年09期

3 魏玉茜;皇甫曉威;林帥廷;李碩;唐祝興;;具有三維結構石墨烯的制備及其作為藥物載體的性能研究[J];遼寧化工;2019年10期

4 楊婧雯;王莉淋;;氧化石墨烯對水稻苗期生理生化的影響[J];環(huán)境科學導刊;2019年06期

5 ;半導體所等在多層石墨烯物理性質研究方面取得新進展[J];中國粉體工業(yè);2012年02期

6 ;美利用電子成像技術分析石墨烯[J];中國粉體工業(yè);2012年06期

7 ;全球首條石墨烯生產線明年8月投產 潛力巨大[J];中國粉體工業(yè);2012年06期

8 ;天奈科技開發(fā)出碳納米管與石墨烯復合鋰電池助導劑[J];中國粉體工業(yè);2016年03期

9 ;廣西大學破解石墨烯制備難題 可大批量生產粉體材料[J];中國粉體工業(yè);2016年03期

10 ;新的視覺體驗 變色石墨烯泡沫創(chuàng)建“機械像素”[J];中國粉體工業(yè);2016年06期

相關會議論文 前10條

1 王慶國;張煒;王凱;王莎莎;;石墨烯在汽車領域的應用展望[A];第十八屆中國科協(xié)年會——分2 中國新能源汽車產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展論壇論文集[C];2016年

2 劉東;李麗波;由天艷;;電化學制備氮摻雜石墨烯及其在催化氧氣還原反應中的應用[A];第十三屆全國電分析化學學術會議會議論文摘要集[C];2017年

3 王瑩;劉子順;;通過缺陷設計實現(xiàn)石墨烯的自發(fā)卷起和組裝[A];2018年全國固體力學學術會議摘要集（上）[C];2018年

4 鄭龍;許宗超;張立群;溫世鵬;劉力;;石墨烯/橡膠納米復合材料的基礎研究以及工業(yè)化應用[A];第十四屆中國橡膠基礎研究研討會會議摘要集[C];2018年

5 邢瑞光;李亞男;張邦文;;功能化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯復合材料的制備及介電性能研究[A];2019年第四屆全國新能源與化工新材料學術會議暨全國能量轉換與存儲材料學術研討會摘要集[C];2019年

6 高超;方波;;石墨烯宏觀組裝及多功能復合材料[A];中國化學會2017全國高分子學術論文報告會摘要集——主題M：高分子共混與復合體系[C];2017年

7 李永軍;楊陽;戴靜;黃曉宇;;功能化石墨烯、氟化石墨烯及石墨烷的制備[A];中國化學會2017全國高分子學術論文報告會摘要集——主題O：共價骨架高分子與二維高分子[C];2017年

8 梁秀敏;江雷;程群峰;;仿生石墨烯纖維研究進展[A];中國化學會2017全國高分子學術論文報告會摘要集——主題M：高分子共混與復合體系[C];2017年

9 方浩明;白樹林;;三維石墨烯填充高導熱彈性體[A];中國化學會2017全國高分子學術論文報告會摘要集——主題M：高分子共混與復合體系[C];2017年

10 許亮;鄒聰;董鑒銳;張興權;羅銘;左明明;曹振興;;氧化石墨烯涂層的制備及其性能表征[A];中國化學會2017全國高分子學術論文報告會摘要集——主題K：高性能高分子[C];2017年

相關重要報紙文章 前10條

1 本報記者 王彥彬;石墨烯將怎樣改變通信？[N];通信產業(yè)報;2016年

2 本報記者 倪偉;石墨烯概念持續(xù)升溫[N];中國證券報;2019年

3 重慶商報-上游新聞記者 嚴薇;諾獎得主科斯提亞·諾沃肖洛夫：重慶石墨烯產業(yè)大有可為[N];重慶商報;2019年

4 本報記者 樊小帥;石墨烯引領采暖新風尚[N];延安日報;2019年

5 宗華;科學家發(fā)明石墨烯染發(fā)劑[N];中國科學報;2018年

6 沈春蕾 劉言;金屬所氧化石墨烯實現(xiàn)綠色制備[N];中國科學報;2018年

7 本報記者 崔彩鳳;石墨烯挺進醫(yī)療領域 需謹防“李鬼”[N];中國高新技術產業(yè)導報;2019年

8 北京商報記者 方彬楠;北京加碼石墨烯產業(yè)化謀求彎道超車[N];北京商報;2019年

9 記者 鮑淑玲;漢堯石墨烯二期200余臺燒結爐月底試投產[N];銀川日報;2019年

10 艾班;石墨烯生物材料制備成功[N];中國化工報;2014年

相關博士學位論文 前10條

1 Fakhr E Alam;通過形成三維石墨烯微觀網路結構增強聚合物基復合材料導熱/導電性能的研究[D];中國科學院大學(中國科學院寧波材料技術與工程研究所);2018年

2 張哲野;石墨烯基功能組裝材料及其在能源領域中的應用研究[D];華中科技大學;2019年

3 何東旭;石墨烯基復合材料的制備及電化學性能研究[D];電子科技大學;2019年

4 馮曉冬;電子注激勵石墨烯產生太赫茲輻射的研究[D];電子科技大學;2019年

5 楊寧;石墨烯—碳納米管三維復合物的甲烷吸附行為機理與機械電子性能研究[D];桂林電子科技大學;2018年

6 劉璐;納米碳基催化劑材料制備及在污染水體處理中應用和機制研究[D];吉林大學;2019年

7 曾省忠;基于AFM的石墨烯表面納米摩擦研究[D];東華大學;2019年

8 陳洋;基于圖案化石墨烯電極的有機光電器件研究[D];吉林大學;2019年

9 秦凱強;三維納米多孔石墨烯基復合材料的可控合成及其超電容性能研究[D];天津大學;2017年

10 王子瑩;半導體氧化物與石墨烯復合材料的表面調控及其室溫NO_2氣體傳感性能的研究[D];吉林大學;2019年

相關碩士學位論文 前10條

1 劉博財;含硒化物石墨烯材料的制備及其在乙醇氧化中的應用[D];廣州大學;2019年

2 李嬌;電解質輔助調控石墨烯聚集結構及電化學性能研究[D];河南大學;2019年

3 李俊飛;石墨烯改性礦用材料的制備及其阻燃性能研究[D];華北科技學院;2019年

4 劉剛鑠;Bi_2S_3、MoSe_2/石墨烯復合材料的三階非線性光學性質研究[D];河南大學;2019年

5 張棲銘;還原氧化石墨烯及石墨烯/TiO_2復合材料的三階非線性光學性質研究[D];河南大學;2019年

6 李艷秋;偶氮苯衍生物增強石墨烯光學非線性及機理研究[D];河南大學;2019年

7 田心;石墨烯納米篩負載空心氧化鐵復合薄膜的大規(guī)模制備及其在鋰離子電池中的應用研究[D];華中科技大學;2019年

8 李丹;石墨烯限域的鉑納米復合材料的制備及催化性能研究[D];遼寧大學;2019年

9 郭沛;石墨烯/金剛石異質結構及其電化學分析[D];遼寧大學;2019年

10 郭宇姝;石墨烯限域PdZn合金復合材料的制備及催化加氫性能研究[D];遼寧大學;2019年

本文編號：2830137