石墨烯-金屬復合納米結構的表面等離激元效應研究.pdf

1、石墨烯是一種由蜂窩狀有序排列的平面碳原子組成的單原子厚度的二維晶體。它具有獨特的零帶隙電子能帶結構，表現出優良的力學、電學和光學性能。這些優異的性能使石墨烯在光電器件應用上具有廣闊的前景。然而在近紅外和可見光頻段，單原子層的石墨烯與光的相互作用相對較弱，使該頻段的石墨烯光電器件的開發受到一定的限制。這種限制主要體現在兩方面:一是該頻段內的石墨烯對入射光的吸收效率較低，無法滿足石墨烯光電探測器的應用需求;二是該頻段內的石墨烯對空間電磁波響

2、應的電調控能力較弱，導致石墨烯電光調制器性能較弱。
　　本學位論文正是基于上述問題，研究可見光與近紅外頻段內石墨烯與光相互作用的增強方法。
　　一方面，在可見光頻段內，利用超材料完美吸收體中的超薄狹縫波導模型，提出一種基于金屬層-介質層-石墨烯-介質層-金屬層（metal-dielectric-graphene-dielectric-metal，MDGDM）的石墨烯表面等離激元結構，結構中的石墨烯對可見光的吸收率達64.8％

3、。石墨烯對可見光的吸收譜還可以通過改變結構的各個幾何參數來調節，并且該吸收譜不依賴于入射光的角度變化。另外，通過設置不同寬度的金屬納米條塊分布，還能使石墨烯對入射光的吸收譜呈寬帶特性。MDGDM結構對于可見光頻段內的石墨烯增強吸收體設計具有重要的參考價值。
　　另一方面，在近紅外頻段內，利用狹縫增強吸收模型，提出一種電可調的等離激元超材料吸收體(plasmonic metamaterial absorbers，PMAs)，它的反射

4、譜可以通過門控電壓來進行調制。作為一種石墨烯空間電光調制器，由于結構中的狹縫模型對石墨烯和光的相互作用有極大的增強作用，該調制器可以實現高達86.7％的調制深度，以及258.2nm的諧振波長調制偏移量。采用等效電路理論和電磁場分布原理，對這種狹縫增強效應的物理機制進行深入探索。通過一系列數值仿真，得出狹縫高度和寬度對調制器性能的影響規律，并用石墨烯等離激元效應對該規律進行理論分析。為了將該調制器的應用范圍擴展到近紅外的不同波段，還可以通

5、過改變最上層納米金屬條塊的寬度，來調節調制器的工作波長，滿足不同領域的應用需求。該結構對于近紅外頻段內石墨烯空間電光調制器的設計具有重要的指導意義。
　　另外，為了將上述二維石墨烯等離激元器件推廣到三維結構，提高數值仿真效率至關重要。本論文利用邊界積分譜元法，通過合適的網格劃分，對不同形狀的三維石墨烯吸收體進行仿真分析。通過與時域有限差分法(FDTD)對比，在相同運行環境下，邊界積分譜元法對三維石墨烯等離激元結構的仿真效率是FDT