基于石墨烯的表面等離激元超材料吸收體研究.pdf

1、石墨烯，一種碳原子呈蜂窩狀排布的二維單層晶體，因其特殊的性質(zhì)在光電領域備受關注。然而，在可見光頻域石墨烯的光吸收率僅為2.3％。為了增強光吸收效果，我們發(fā)現(xiàn):石墨烯具備較低的阻抗損耗，通過與金屬超材料納米結(jié)構(gòu)組合可以大大提高光吸收率。石墨烯內(nèi)部還有電可調(diào)的等離激元，可用于電光調(diào)制吸收。由于石墨烯的等離諧振能夠發(fā)生在不同的光學頻段，基于石墨烯的光學器件因此具備波長選擇特性。
　　本文基于以上設想，對石墨烯-光相互作用的研究從兩個層面

2、展開:
　　一是結(jié)合金屬超材料結(jié)構(gòu)，設計出波長可調(diào)的光吸收體。由于石墨烯與貴金屬的結(jié)合可看作是一種摻雜方式，能夠產(chǎn)生局域表面等離激元，從而束縛入射光能量，產(chǎn)生耦合諧振現(xiàn)象?；诘入x狹縫波導模型，分析幾何調(diào)控下石墨烯吸收光譜的變化。研究從二維結(jié)構(gòu)開始，逐漸拓寬至三維結(jié)構(gòu)。再通過選擇不同的金屬材料，比較兩種結(jié)構(gòu)特性及參數(shù)影響。
　　二是利用石墨烯本身的電可調(diào)等離激元，通過在石墨烯層上加偏壓，改變石墨烯的化學勢（費米能量），以及石

3、墨烯介電常數(shù)值，達到調(diào)節(jié)吸收光譜的目的。本文利用慢波波導模型，對石墨烯-介質(zhì)層多層疊加的結(jié)構(gòu)進行分析，并獲得優(yōu)化的結(jié)構(gòu)寬度。對于介質(zhì)層厚度、石墨烯偏壓，根據(jù)與諧振波長的依賴關系，可確定超寬帶吸收模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)。該吸收器得到了8um至32um的寬帶吸收帶寬，并將吸收率保持在90％上下波動，吸收率超過50％的帶寬范圍占總吸收帶寬的83％。
　　本文的創(chuàng)新在于，建立多種模型（二維，三維，不同材料）來深入分析石墨烯-光相互作用機制，并有效