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外电场相关不同层数黑磷双光子吸收性质的理论研究

罗雪琴  
【摘要】:黑磷是一种新兴的二维层状材料,由于具有可调谐的直接带隙,使得其在生物医疗、饱和吸收器、光学开关等方面有着广阔的应用前景。双光子吸收和单光子吸收相比,前者具有激发波长长、穿透深度深以及空间分辨率高等优点,所以对于双光子吸收效应的研究一直被科学家们所关注。目前,关于黑磷双光子吸收的实验研究较为成熟,但是理论方面的研究仍旧匮乏。本文从理论上研究了层数和外电场相关的黑磷双光子吸收性质。本文主要利用紧束缚模型、连续近似模型以及k·p模型解析并数值求解了无外加电场时单层、双层和三层黑磷的本征能量和波函数。接着,基于连续近似模型下单层、双层以及三层黑磷的哈密顿量,求解了外加电场下系统的电子能态,得到了对应的能带结构。最后从二阶微扰理论下的电子-光子相互作用出发,推导了以上六种系统下的双光子吸收系数表达式。利用数值求解到的双光子吸收系数,模拟出相应的双光子吸收谱,分析了层数、外加电场以及入射光的偏振角度对黑磷双光子吸收的影响。研究表明:(1)无外电场存在时,黑磷的双光子吸收系数随着层数的增加而增加,并且吸收峰发生了红移。(2)在外电场下,单层黑磷的带隙随电场强度的增大而增大,从而导致了单层黑磷的双光子吸收系数随电场强度的增大而减小;双层和三层黑磷的层间能量差低于临界值时,双光子吸收系数随着层间能量差的增大而增大,并且层间能量差越靠近临界值,双光子吸收系数增大得越明显;层间能量差等于临界值时,双层和三层黑磷的双光子吸收系数均达到最大,且比无外加电场存在时的双光子吸收系数高出6个数量级。(3)黑磷的双光子吸收系数在线偏振光方向沿着扶手型方向时最大,随着入射角度的增大吸收系数减小,直至偏振方向与锯齿形型方向一致后达到最小。(4)在同一波长下,吸收系数随入射光偏振角度按余弦函数呈现周期性变化。这些研究结果无论是对丰富非线性光学理论还是优化光电器件的设计等实际运用都有着重大意义。


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