表面含石墨烯的多层膜中的可调光学特性

摘要

人们对光子晶体的研究已经超过了30多年，现在依然是研究的热点问题之一。近些年来，研究者已经逐渐转移到对色散介质光子晶体的研究中。光子晶体具备很多优异的特性，包括光子带隙和光子局域，可用来制作新型光电器件，比如彩色显示器、传感器、激光器、高效发光二极管、数据存储器、光子晶体微波天线等。利用光子带隙可以制备许多器件，比如无损耗反射镜，纳米级激光，光子晶体光纤和高品质光学微腔等。
　　石墨烯是由一层碳原子组成的一种具有蜂窝状二维晶体结构的半金属材料，由于其显著的电子、机械和光学性能，吸引了越来越多的关注。由于石墨烯特殊的导电性和电阻率极低的特性，使得石墨烯可以应用在LED灯、高性能晶体管、吸波涂层、太阳能电池、传感器、透明电极、透明显示屏、光电探测器等。但是有些设备需要材料与光的强相互作用，比如光电探测器，而石墨烯和光波的弱相互作用限制了其应用，因此如何提高石墨烯与光的强相互作用已成为近年的研究热点。
　　表面态能够使电磁场在空间上的分布发生改变，改变磁场强度大小，从而使磁场发生局域，磁场强度增大，而这种增强的磁场强度可以用来设计增强光的吸收，目前常用表面等离激元共振、光学Tamm态、F-P腔共振等方法来增强吸收。由于电磁场的高度局域，我们可以将表面态与石墨烯相结合来增强石墨烯的吸收，利用此机理，可以用来制备偏振激光、光学开关、光电探测器、光学传感器等。在这里我们将石墨烯放置在多层膜表面上来实现石墨烯对光的增强吸收，并对此展开了一些研究。
　　在论文的第二部分，我们主要研究了表面含石墨烯的一维光子晶体在红外波段增强吸收的光学特性。文章中设计的结构，是将石墨烯覆盖在一维光子晶体异质结构表面，由于在红外波段范围内，石墨烯的电导率与费米能级有关，通过改变石墨烯的费米能级，可以调节石墨烯的电导率来改变石墨烯的折射率。我们通过调节光子晶体的周期数、薄膜层厚度和介质层的排列顺序，改变石墨烯的层数与石墨烯的费米能级，发现都能够增强吸收，表面含1层以上的石墨烯与悬浮石墨烯层的结构相比，吸收率均可以提高到4倍以上，在红外波段石墨烯的厚度不可忽略。
　　在论文的第三部分，主要研究了基于电磁表面态的含石墨烯的多层膜结构的吸收特性。由于在红外波段的石墨烯的介电常数的实部是负数，因此，由石墨烯和介电常数为正的介质或者空气组成的界面，类似于金属与介质或空气组成的界面，可以激发布洛赫表面态实现石墨烯对光波的增强吸收。因此，将有限层石墨烯薄膜置于多层膜表面，将可以极大的增强石墨烯与光的相互作用，即实现石墨烯对特定激发波长光波的完美吸收。据此我们可以设计出随角度和波长都敏感变化的光学传感器。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 光子晶体和石墨烯简介

1．2．2 石墨烯简介

1．3 电磁表面态简介

1．3．1 表面等离激元

1．3．2 布洛赫表面态

1．4 计算方法介绍

1．5 本文的工作

第2章 表面含石墨烯的一维光子晶体在红外波段的光学特性

2．1 引言

2．2 插入层厚度与光子晶体周期数对结构吸收率的影响

2．3 薄膜厚度与石墨烯层数对结构吸收率的影响

2．4 改变石墨烯费米能级对结构吸收率的影响

2．5 本章小结

第3章 基于电磁表面态的含石墨烯的多层膜结构的吸收特性

3．1 引言

3．2 基于电磁表面态的光学特性研究

3．2．1 在可见光波段的近完美吸收

3．2．2 在红外至太赫兹波段的近完美吸收

3．3 本章小结

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

致谢

个人简历