电子注激励石墨烯产生太赫兹辐射的研究

论文摘要

太赫兹（THz）辐射源是THz科学技术发展过程中的主要瓶颈之一,将电子学和光子学相结合来产生THz辐射逐渐成为THz科学领域的一个研究热点。本论文以二维材料石墨烯为基础,对电子注激励石墨烯产生表面等离子体激元（SPPs）并转化为THz辐射进行了一系列相关的理论研究和初步的实验研究。主要研究结果如下:1.本论文理论研究了利用平行电子束激励起石墨烯THz波段中的SPPs,并通过石墨烯/介质/基底结构转化为THz波段的切伦科夫辐射,然后通过介质光栅结构将产生的切伦科夫辐射衍射出去的物理过程。通过在石墨烯和介质基底之间加载中间介质层,可以将石墨烯SPPs转化为相干的切伦科夫辐射,辐射频率可通过调节石墨烯的化学势、电子注的速度,中间介质层的介电常数以及中间介质层的厚度等相关参数进行调谐。与没有石墨烯、没有中间介质层情况下平行运动电子注直接激励起介质中的切伦科夫辐射相比,电子激励石墨烯SPPs转化的相干切伦科夫辐射功率大大增强。通过调节介质衍射光栅的光栅深度和衍射阶次,可以对THz波进行很好的调制。2.本论文基于石墨烯-介质多层膜结构组成的石墨烯双曲超材料,开展了电子注和电偶极子激励石墨烯双曲超材料产生THz电磁辐射的相关理论研究。当平行运动的电子注速度满足一定的条件,电子注在石墨烯双曲超材料中激励起的石墨烯SPPs可以转化为THz辐射。电子注激励石墨烯双曲超材料产生THz辐射的本质是石墨烯双曲超材料中层与层之间的SPPs的相互耦合。此外还开展了电偶极子激励石墨烯双曲超材料产生THz辐射的相关研究,研究表明:与传统媒质相比,电偶极子可以在石墨烯双曲超材料激励起增强的有特殊角向分布的THz辐射。与电子注激励石墨烯双曲超材料产生THz辐射的本质相同,电偶极子激励石墨烯双曲超材料产生THz辐射的物理机制也是石墨烯双曲超材料中层与层之间石墨烯SPPs的相互耦合。3.本论文基于THz时域光谱仪,利用透射和反射测量实验研究,测量了石墨烯在THz波段的电导率,对石墨烯的THz空间电导率分布进行了成像。并且通过Drude-Smith公式拟合详细比较两种测量方法下得到的石墨烯电导率。此外,还研究了激光激发下,石墨烯空间电导率的变化。研究结果表明,激光激发可以在石墨烯中产生光生载流子,并且光生载流子在激光激发下会向相邻区域进行输运。研究成果对研究石墨烯的电学和光学性质以及设计石墨烯光电子THz器件有重要意义。另外,我们制备了简易背栅石墨烯场效应晶体管,并对石墨烯的基本电学性质进行了初步研究,实验测得石墨烯的狄拉克点、载流子浓度、费米能量、迁移率等基本电学参数,研究结果对后续电子注激励石墨烯产生THz辐射的相关研究具有重要的意义。4.本论文基于THz时域光谱仪系统和二维扫描控制系统,实验研究了电子束激励石墨烯对石墨烯THz电导率的影响,并对不同电压电子束激励下的石墨烯空间THz电导率变化进行了成像。石墨烯的空间电导率成像结果表明不同束流大小的电子束激励石墨烯对石墨烯引入电子掺杂的速度不同。通过对不同电压不同束流电子束激励下石墨烯电导率的改变的Drude公式拟合,我们发现较大束流的电子束激励石墨烯可以更大地改变石墨烯薄膜中的载流子密度,并且可以更大地缩短石墨烯的载流子弛豫时间。而石墨烯THz电导率的降低是电子束激励造成石墨烯的载流子密度和载流子弛豫时间发生变化共同作用的结果。通过与激光激励石墨烯对石墨烯THz电导率的改变对比,我们发现电子束激励石墨烯可以对石墨烯的THz电导率产生更大的改变。这表明可以通过电子束激励石墨烯对石墨烯的性质进行更大的调谐。以上结果对研究石墨烯在非平衡条件下的载流子输运以及对石墨烯基可调谐THz源器件的研究具有重要的参考价值。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 太赫兹波概述

1.1.1 太赫兹波的概念与特性

1.1.2 太赫兹波的应用

1.1.3 太赫兹波的产生

1.2 二维材料石墨烯在太赫兹科学技术中的应用

1.2.1 石墨烯在太赫兹功能器件中的应用

1.2.2 石墨烯在太赫兹辐射源中的应用

1.3 表面等离子体激元概述

1.3.1 表面等离子体激元的概念与特性

1.3.2 表面等离子体激元的产生

1.3.3 石墨烯表面等离子体激元

1.4 电子学与光子学相结合的太赫兹辐射源

1.5 本论文的选题依据与主要内容

第二章电子激励石墨烯产生太赫兹波段的切伦科夫辐射

2.1 引言

2.2 石墨烯表面等离子体激元

2.2.1 石墨烯表面电导模型

2.2.2 石墨烯等效介质模型

2.2.3 石墨烯表面等离子体激元场分布

2.3 石墨烯切伦科夫辐射

2.3.1 色散方程

2.3.2 数值计算

2.3.3 仿真模拟

2.4 切伦科夫辐射介质光栅

2.4.1 不同光栅深度的衍射效率

2.4.2 不同衍射阶次下的光栅衍射

2.5 本章小结

第三章石墨烯双曲超材料中的太赫兹辐射

3.1 引言

3.2 石墨烯双曲超材料

3.3 平行运动电子注激励石墨烯双曲超材料产生太赫兹辐射

3.3.1 石墨烯双曲超材料的有效折射率

3.3.2 产生太赫兹辐射的条件

3.3.3 产生太赫兹辐射的波矢量角度和功率流角度

3.4 电偶极子激励石墨烯双曲超材料产生太赫兹辐射

3.4.1 太赫兹辐射的角向分布和功率增强

3.4.2 太赫兹辐射的物理机理

3.4.3 相关参数变化对太赫兹辐射的影响

3.5 本章小结

第四章石墨烯太赫兹波段电学特性的研究

4.1 引言

4.2 太赫兹时域光谱技术测量石墨烯太赫兹波段电导率

4.2.1 石墨烯太赫兹波段电导率的实验测量与计算方法

4.2.2 透射法和反射法实验测量

4.3 激光激励对石墨烯电导率的影响

4.4 石墨烯电学特性的栅压调控实验

4.4.1 实验材料与方法

4.4.2 实验结果与分析

4.5 本章小结

第五章电子激励对石墨烯太赫兹波段电学特性的影响

5.1 引言

5.2 实验系统

5.3 电子枪发射电流与电压的关系测量

5.4 电子激励下石墨烯太赫兹电导率的变化

5.5 不同电压电子激励下石墨烯太赫兹电导率的变化空间成像

5.6 本章小结

第六章全文总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 冯晓冬

导师: 刘盛纲

关键词: 电子注,石墨烯,表面等离子体激元,太赫兹辐射

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学

单位: 电子科技大学

分类号: O441.4;TQ127.11

总页数: 123

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