自然界中的物體每時每刻都向外界輻射能量,傳統(tǒng)的塊狀結構只能響應固定的能量,難以滿足現(xiàn)代光學技術應用的高性能和集成化需求。將塊狀結構加工成具有周期性形貌的微納結構,則能夠實現(xiàn)對特定輻射能量的調控,并實現(xiàn)了在光學完美透鏡、帶通濾波器、隱身衣、慢光結構和電磁黑洞等領域的廣泛應用。但是,由傳統(tǒng)金屬電介質組成的微納結構在參數(shù)確定后只能響應固定的能量,很難實現(xiàn)實時調控的功能。石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來,其工藝能夠與傳統(tǒng)材料相兼容并且費米能級可調控的特性對于解決上述問題提供了新的方案。本文從微納結構能夠操控光譜特性和石墨烯獨特的光學特征出發(fā),通過研究石墨烯/微納結構光學調控的設計方法和物理機制,結合仿真與實驗的方法,探索石墨烯/微納結構在窄帶探測和紅外動態(tài)調控等領域的廣泛應用,為新型石墨烯器件的研制和應用提供理論指導。研究了基于傳統(tǒng)金屬電介質材料組成的微納結構窄帶和寬帶光調控特性。設計了Al/Al2O3/Al環(huán)形微納結構和W/SiO₂多層金字塔微納結構,實現(xiàn)了對特定光譜窄帶和寬帶的吸收,分析了引起場增強模式的內部機制。環(huán)形結構能夠激發(fā)多個磁極化模式實現(xiàn)窄帶完美吸收,多層金字塔結構激發(fā)慢光... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省211工程院校985工程院校

【文章頁數(shù)】：136 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

表面等離激元原理說明圖[30]

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文-4-電磁波與這些材料相互作用會產生不止一個物理場的激發(fā)模式，多物理場的相互影響又會實現(xiàn)更多的功能。微納結構就是對這些不同功能材料的排布以及結構參數(shù)的排列組合，以實現(xiàn)對目標電磁波的響應。圖1-2基于電磁特性的基本材料體系分類[39]Fig.1-2Classificationofbasicmaterialsystemsbasedonelectromagneticproperties傳統(tǒng)的微納結構大多采用金屬、電介質材料，比較典型的有金屬微納結構[40]、電介質微納結構[41]、金屬/電介質微納結構[42]、金屬/電介質/金屬微納結構[43]和多層金屬/電介質雙曲微納結構[44]，通過對結構參數(shù)和材料的不同排列組合，實現(xiàn)了窄帶單峰值、多峰值和寬帶光譜的完美吸收和透過，設計的調控波段跨越了可見光波段[45]、紅外波段[46-54]、THz波段[55]和微波波段[56,57]，為不同波段的光學探測器、光吸收、光子檢測、儲能和生物傳感器等提供很好的理論和實際應用支持。已查明引起這些奇異特性的激發(fā)機制包括表面等離激元、磁極化、法布里波羅共振、慢光效應、漸變折射和相位共振等模式。窄帶單峰完美吸收光譜調控特性是微納結構的一個典型研究方向，尤其應用于折射率傳感器等領域，對于污染物的探測有著重要的科學意義和應用價值。2008年，Landy等[58]首次實現(xiàn)了一種開口諧振器和金屬平板耦合在一起的微納結構完美吸收器。吸收器結構單元由銅/FR-4/銅三層組成，共振頻率在11.5GHz，實測和仿真吸收率接近100%。高吸收率是由于上下兩層結構耦合形成磁共振，調整兩層結構的參數(shù)和相互之間的距離，使其達到相同的共振頻點，能夠使電磁波通過吸收器被最大限度的吸收。兩年后，Liu等[59]通過實驗測量出了一種在λ=1.6μm能夠完美吸收電磁波的吸收體，紅外光垂直入射時能

第1章緒論-5-個單吸收峰，并且吸收峰值達到98%。實驗結果也證明了鋁在中紅外波段是很好的等離子激元材料并且制造成本相對低廉。Walter等[61]通過膠體刻蝕和干法蝕刻的方法制備出一種在近紅外實現(xiàn)大角度偏振完美吸收的Au/MgF2/Au三維微納結構。隨著蝕刻時間的不同，吸收峰值能夠實現(xiàn)不同波長位置的移動。由于設計上的無序排列，使得極化獨立，入射角度達到50°時吸收率仍然保持98%。圖1-3窄帶完美吸收體[58,59]Fig.1-3Narrowbandperfectabsorber實現(xiàn)寬帶吸收相較于窄帶吸收在結構設計和加工上要復雜的多，一般簡單單層結構很難實現(xiàn)，需要多層材料有規(guī)律組合在一起，激發(fā)特定的光學模式，色散關系符合雙曲線特征的微納結構就是能夠實現(xiàn)寬帶吸收的典型結構。Smith等[62]首次提出了雙層開口諧振器具有雙曲線的色散關系，之后利用雙曲關系構建不同形式的微納結構也多見報端。實現(xiàn)雙曲色散關系一般是金屬和介電層交替疊加。多層膜形式結構的性能依賴于金屬和介電層材料的選擇，而設計成不同圖案形貌結構的性能取決于形貌所激發(fā)的光學模式，光學模式對性能的影響大于材料本身物性對性能的影響。He等[63-65]理論和實驗分析驗證了雙曲多層微納結構高吸收特性。分別在可見、紅外和微波波段設計出不同尺寸的多層金字塔吸波結構，實驗和理論共同驗證了寬波段的完美吸收特性。Yang等[66]在單元尺寸為200nm的尺度下制備出一種由銀/鍺交替累積的三維塔形雙曲微納結構，實驗揭示了不同尺寸的結構單元能夠在相同頻率下共振，高階共振帶動低頻共振。Liang等[67]設計了一種納米錐陣列，實現(xiàn)了在整個太陽光譜（0.2μm-2.5μm）接近100％的吸收特性，并且寬角度下依然保持良好的高吸收性能。Guo等[68]實驗和理論分析了一種高帶寬吸收的錐形雙曲微納


本文編號：3629925