基于超材料等离子体的诱导透明及慢光效应研究

作     者：李玉辉 

作者单位：长江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐益平

授予年度：2022年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超材料 石墨烯 等离子体诱导透明 等离子体诱导吸收 耦合模理论 开关 慢光 

摘      要：目前,太赫兹技术已经广泛应用于生物医学诊断、安全检查、无线高速通信和卫星遥感等方方面面。近年来,随着现有制造技术的突破和新兴技术的发展,对光电器件的微型化、柔韧性、紧凑和高速可调性提出了更高的要求。由于化学气相沉积法(Chemical vapor deposition,简称CVD)和电子束光刻技术(Electron beam lithography,简称EBL)日趋成熟,这使得制备均匀分布的单层石墨烯超材料成为了可能。此外,石墨烯基太赫兹超材料具有非凡的光电特性,即高载流子迁移率、机械灵活性、非线性光学响应和动态可调谐的多样性,未来石墨烯基超材料很可能以优异的性能替代电子电路,释放出太赫兹光电设备的潜力。因此,本文针对石墨烯基太赫兹超材料在光电器件的应用进行了探索。主要研究内容如下:1、本章首先介绍了太赫兹超材料的光、电特性及其动态调控原理,然后介绍了石墨烯超材料在太赫兹频率范围的光与物质相互作用的超凡能力,即石墨烯等离子体激元,最后介绍了其产生的等离子体诱导透明的发展与应用。2、本章主要介绍了用于拟合双重PIT(Plasmon-induced transparency,简称PIT)的三维耦合模理论、用于拟合四重PIT的五维耦合模理论,及用于分析四重PIT独立可调的五维不完全耦合模理论。3、本章提出了一种简单的带有矩形缺陷的准连续I-型石墨烯超材料,以实现双动态可调谐的等离子体诱导透明(PIT)和等离子体诱导吸收(Plasmon-induced absorption,简称PIA)效应。单层石墨烯所需的费米能级可以通过施加偏置电压进行动态调节,这可以使得双重PIT和PIA的光谱发生移动。有趣的是,通过调整超材料中两个垂直石墨烯带之间的距离,双重PIT(PIA)可以演变成单PIT(PIA)。另外,用电场矢量的分布强度和方向来说明单层石墨烯超材料在偏振入射光作用下的电场大小分布。通过理论分析和数值模拟方法分别研究了太赫兹频率范围内的PIT和PIA效应的光谱响应,显示出非常好的一致性。此外,单层石墨烯的表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,简称SPPs)具有较好的色散特性和较宽的群延时频率范围,该超材料结构中得到的最大群延迟约为0.25 ps。所提出的超材料可能在吸收器、可调谐开关和慢光设备等方面有广泛的应用。4、本章设计了一种由一个石墨烯块和四个石墨烯条组成的单层石墨烯超材料,它在太赫兹频率范围内具有类金属特性,并产生了优异的四重等离子体诱导透明(PIT)。分析表明,四个透明窗的PIT的物理形成机制可以用亮模和暗模之间的强破坏性干涉,以及入射光照射下的电场强度和电场矢量分布来解释。采用耦合模理论(Coupled mode theory,简称CMT)和时域有限差分(Finite-difference time-domain,简称FDTD)分别研究该结构的光谱响应特性,其理论和模拟的结果吻合较好。研究结果表明,在较宽的PIT窗内可以实现可调谐的多频开关和优良的光存储。其最大调制深度可达99.7%,对应的最大消光比为25.04 d B,最小插入损耗为0.19 d B。此外,其群延时高达0.919 ps,对应的群折射率高达2755。因此,所提出的结构为太赫兹多频开关和慢光器件的设计提供了一种新的方法。5、本章提出了一种由三条横向石墨烯条和一条纵向连续石墨烯带组成的周期图案化石墨烯基超材料,在线性偏振光的照射下可以激发SPPs,并实现动态可调的四重等离子体诱导透明(PIT)效应。对沿x方向的磁场分布的进一步分析表明,四重PIT窗可以由亮模和暗模之间的强破坏性干涉产生。另外,从数值和理论上研究了四重PIT效应的光谱响应特性,FDTD模拟得到的结果与CMT计算得到的结果基本吻合。值得注意的是,当不同的费米能级施加于图案化石墨烯时,所提出的四重PIT系统的四个透射峰表现出独立的可调性。此外,还详细研究了载流子迁移率对四重PIT窗的影响。随着载流子迁移率的增加,四重PIT窗变得更加显著,其慢光效应也逐渐增强。当载流子迁移率固定在3.5 mVs时,该四重PIT系统中可以获得0.567 ps的最大群延时和1701的群折射率,相应的延迟-带宽积达到0.634。因此,所提出的四重PIT系统表现出显著的慢光效应,可用于设计多通道频率调制器和慢光设备。