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《燕山大学》 2017年
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表面等离子体在石墨烯纳米结构中的传输与控制

张明  
【摘要】:石墨烯是一种由碳原子按蜂窝状排列而成的二维纳米材料,自2004年被发现以来,因其卓越的光学和电学性能受到学术界的广泛关注。近年来,随着太赫兹技术的研究和石墨烯表面等离子体激元的发现,石墨烯光电子器件的应用价值与日俱增。相对于传统金属表面等离子体,石墨烯表面等离子体具备显著优势:极高的波矢动量,更强的表面局域,红外到太赫兹波段内高度电可调。基于这些原因,针对石墨烯表面等离子体,我们设计并研究了两种不同的纳米波导结构,实现了纳米尺度内对石墨烯表面等离子体波的控制。全文的研究工作主要为:(1)简要介绍表面等离子体和表面等离子体波导的基本理论,着重分析了布拉格光栅的波矢匹配条件以及金属-介质-金属波导结构的特点和优势。(2)分析石墨烯的材料特性,主要包括石墨烯电导率,等效折射率;在此基础上研究了石墨烯表面等离子体的激发条件、色散关系以及传播参数;(3)设计了一种包含石墨烯与布拉格光栅的波导结构,借助亚波长光栅的泄漏模共振效应,在单层连续的石墨烯表面,激发出具有强烈局域特性的表面等离子体。借助有限元数值计算软件COMSOL,优化石墨烯的材料参数和光栅结构的几何参数,进一步提高表面等离子体的局域特性。(4)设计了一种包含石墨烯和支节的纳米波导结构。相邻的支节之间由于相位耦合构成Fabry-Perot谐振腔。SPP在腔内的来回振荡使透射光在很窄的波段内显著增强,产生表面等离子体诱导透明效应的输出光谱。利用COMSOL软件与散射矩阵理论进行分析,通过改变支节结构和石墨烯的特性参数可以对透射谱进行大范围调节。另外考虑将该结构作为光电调制器,并计算其消光率。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O53

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