腔或栅增强石墨烯表面等离子体及其微观机理研究

论文摘要

表面等离子体（SPs）具有克服衍射极限并在纳米范围内操纵光信号的能力,所以在高度小型化和集成化的光电子器件领域具有非凡的应用价值。传统的贵金属表面等离子激元一直面临寿命短、传播距离近等问题,这严重限制了基于表面等离子激元的微纳光电子器件的应用价值。相对于金属表面等离子激元,石墨烯表面等离子激元有更多的优点,得到国内外研究组织的高度重视。但是对于石墨烯表面等离子激元产生的微观机理、增强机制特别是其寿命的研究还不够充分。因此,通过时域有限差分法（FDTD）和耦合模理论（CMT）,本论文利用腔或栅来增强石墨烯表面等离子体,并对其产生的微观机理、增强机制以及模式的衰减因子（寿命）进行了较为深入的研究。主要研究内容包括:1.研究了石墨烯-空腔耦合波导系统的透射特性,并对该系统表面等离子激元产生的微观机理以及与系统的几何参数、物理参数之间的关系进行了深入地探讨。结果表明:由于石墨烯模式与空腔模式之间的耦合,该系统存在着三个透射波谷。并且减小石墨烯的费米能级可以使透射光谱的共振波长发生红移。此外,我们将克尔非线性材料掺入到空腔中,发现共振模式会受到腔芯的线性折射率,非线性材料的极化率和入射光强度的影响。结果表明,石墨烯-空腔结构是设计有源石墨烯表面等离子体器件的候选方案。2.研究了双矩形石墨烯阵列结构的吸收以及模式衰减（寿命）特性。并且研究了石墨烯片的费米能级、载流子迁移率以及结构的物理参数对石墨烯的吸收率及模式衰减（寿命）特性的影响。结果表明:单层石墨烯的吸收率可以从2.3%增加到约40%,这种吸收增强来源于石墨烯表面等离子共振模式的激发。通过增加石墨烯的费米能级,吸收峰波长会发生蓝移,吸收率增加,模式衰减率也随之变化;通过增加石墨烯的载流子迁移率,吸收峰波长基本不变,吸收率增加,模式衰减率也随之变化。石墨烯阵列的吸收可增强性和共振模式可调性可以广泛适用于高性能的可调石墨烯表面等离子体器件。3.研究了双矩形孔石墨烯阵列结构的吸收以及模式衰减（寿命）特性。结果证明:当改变石墨烯的费米能级和载流子迁移率时,结构的三种共振模式的共振波长会发生变化,实现结构参数对共振模式的调控。该研究为石墨烯光电器件的应用奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 石墨烯的简介
•   1.2 石墨烯的应用研究
•   1.3 石墨烯表面等离子体的研究进展
•   1.4 本论文研究的问题以及内容安排
• 第2章 数值算法
•   2.1 引言
•   2.2 耦合模理论
•   2.3 时域有限差分法
•     2.3.1 FDTD的离散形式
•     2.3.2 二维时域有限差分法
•     2.3.3 数值稳定性
•     2.3.4 Berenger完美匹配层
• 第3章 石墨烯-空腔耦合波导系统的透射特性
•   3.1 引言
•   3.2 石墨烯-空腔耦合波导系统的结构模型
•   3.3 透射特性分析
•     3.3.1 透射谱分析
•     3.3.2 场图分析
•     3.3.3 耦合模理论分析
•   3.4 不同结构特征参数对透射特性影响分析
•     3.4.1 石墨烯费米能级对透射特性的影响
• 2 对透射谱的影响'>    3.4.2 石墨烯-空腔长度L₂对透射谱的影响
•     3.4.3 填充非线性材料对结构透射特性的影响
•   3.5 本章小结
• 第4章 双矩形石墨烯阵列的模式衰减及吸收特性
•   4.1 引言
•   4.2 双矩形石墨烯阵列模型
•   4.3 双矩形石墨烯阵列的吸收特性
•     4.3.1 吸收谱分析
•     4.3.2 场图分析
•     4.3.3 耦合模理论分析
•   4.4 吸收、模式衰减特性与石墨烯费米能级的关系
•   4.5 吸收、模式衰减特性与载流子迁移率的关系
•   4.6 吸收特性与石墨烯长度L的关系
•   4.7 本章小结
• 第5章 双矩形孔石墨烯阵列的模式衰减及吸收特性
•   5.1 引言
•   5.2 双矩形孔石墨烯阵列模型
•   5.3 双矩形孔石墨烯阵列的吸收特性
•     5.3.1 吸收谱分析
•     5.3.2 场图分析
•     5.3.3 耦合模理论分析
•   5.4 吸收、模式衰减特性与石墨烯费米能级的关系
•   5.5 吸收、模式衰减特性与载流子迁移率的关系
•   5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 附录 攻读学位期间发表的论文与学习成果清单
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈朝慧

导师: 詹杰,周仁龙

关键词: 石墨烯,表面等离子体,费米能级,载流子迁移率

来源: 湖南科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 湖南科技大学

分类号: O53;O613.71

DOI: 10.27738/d.cnki.ghnkd.2019.000353

总页数: 66

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