基于石墨烯和二维黑磷的全光吸收器研究

论文摘要

自从二维材料诞生以来,由于其所具有的出色物理化学性质,例如电子迁移率高,耐热性好以及化学性质稳定等等,使得基于二维材料的相关研究逐渐引起了科研工作者的关注。而二维材料的这些优异性质极大的加快了吸收器的研究进展。与传统的吸收器相比,基于二维材料的吸收器可以实现可调控、宽带,广角、对偏振态不敏感以及多通道的全光吸收。本文主要就基于石墨烯和二维黑磷从理论上研究了全光吸收,并且取得了一些成果。本文的主要研究内容主要分为以下三个部分:1.基于石墨烯的Tamm等离激元的全光吸收器研究:此部分用新型二维材料石墨烯代替传统的激发Tamm等离激元的金属层,从而实现全光吸收。得益于石墨烯的类似金属的性质,使得通过激发Tamm等离激元来实现全光吸收变得可能。除此之外,我们还通过调节外置电压来改变石墨烯的费米能级,从而达到全光吸收的可调谐性。相比于传统的等离激元,Tamm等离激元的激发条件更为简单,不需要特定的角度和偏振态,这就导致了提出的全光吸收器具有广角和对偏振态不敏感的特性。最后,可以通过调节结构顶层的厚度产生多重Tamm模式来实现多通道全光吸收。2.基于单层黑磷的相干全光吸收器研究:这部分主要是利用两束相干光在单层黑磷上的干涉作用实现全光吸收。我们先从两束相干光在黑磷中传播的传播矩阵来分析相干吸收的条件,得到相干吸收波长,然后在相干波长处,通过调节两束入射到单层黑磷上的相干光之间的相位差得到了全光吸收,并且可以实现相干吸收的灵活调节作用。由于黑磷具有可调带隙的特性,我们通过改变掺杂电荷的浓度来对相干全光吸收从红外波段到太赫兹波段的调控,与此同时,依旧能保持出色的调制深度。最后,我们分析了两种偏振态情况下不同入射角的相干吸收,结果表明,单层黑磷的相干全光吸收受偏振态和入射角度影响很小。3.基于石墨烯—一维拓扑光子晶体的全光吸收器研究:这里通过设计了石墨烯—一维拓扑光子晶体-银的结构来激发TPP模式和拓扑边缘模式来实现多通道全光吸收。首先我们从结构中去除石墨烯,出现了单峰全光吸收现象,并且从理论上解释了实现全光吸收是由激发TPP模式造成。而当将石墨烯加入到结构中,则出现了双通道全光吸收,通过实现全光吸收波长处的场强分布图可以看到两处全光吸收分别是由于拓扑边缘模式和TPP模式引起的,并且通过在所提出的结构中循环增加一维拓扑光子晶体的周期数,会得到多通道全光吸收。除此之外,多通道吸收表现出良好的角度选择特性。

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Abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 几种典型的二维材料

1.2.1 石墨烯

1.2.2 黑磷

1.2.3 MXene

1.3 全光吸收器的研究现状和意义

1.3.1 全光吸收器的研究现状

1.3.1.1 广角全光吸收器

1.3.1.2 宽带全光吸收器

1.3.1.3 可调控全光吸收器

1.3.1.4 多通道全光吸收器

1.3.2 全光吸收器的研究意义

1.4 本文的主要研究内容及框架

第2章基本理论和方法

2.1 引言

2.2 基本理论

2.2.1 阻抗匹配理论

2.2.2 磁元共振理论

2.2.3 干涉理论

2.3 基本方法

2.4 本章小结

第3章基于石墨烯的Tamm表面等离激元的全光吸收器研究

3.1 引言

3.2 全光吸收条件的讨论

3.3 全光吸收的特性

3.3.1 调控特性

3.3.2 广角和对偏振态不敏感特性

3.3.4 多通道特性

3.3.5 色散特性

3.4 本章小结

第4章基于单层黑磷的相干全光吸收器研究

4.1 引言

4.2 相干全光吸收条件的判定

4.3 相干全光吸收的特性

4.3.1 相位调制特性

4.3.2 角度和偏振态特性

4.3.3 调控和调制特性

4.4 本章小结

第5章基于石墨烯-一维拓扑光子晶体的全光吸收器研究

5.1 引言

5.2 单通道全光吸收的实现及验证

5.3 双通道和多通道全光吸收的实现

5.4 全光吸收的角谱特性

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王希

导师: 戴小玉

关键词: 二维材料,全光吸收,等离激元,相干,拓扑边缘模式

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 深圳大学

分类号: O734

DOI: 10.27321/d.cnki.gszdu.2019.000233

总页数: 63

文件大小: 2564k

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