二维材料硼烯等离激元模式的强耦合特性研究

作     者：闫肖非 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘桂东

授予年度：2023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：光电子器件 硼烯材料 等离激元模式 强耦合特性 

摘      要：电磁辐射与物质间的强相互作用会导致光与物质混合态的形成，使得系统的吸收和发射特性相比于非耦合态有着明显的不同。近年来，随着对二维材料的深入研究和微纳工艺技术的进步，集成二维材料的微纳结构为研究光与物质的强相互作用提供了新的平台。硼烯作为一种可以在可见光与近红外波段支持等离激元模式的新型二维材料，在主动可调节光电子器件的制造方面有着巨大的潜力。基于此，本论文通过系统地设计集成硼烯材料的微纳结构，利用硼烯等离激元与其他模式的强耦合，来增强光与物质的相互作用。并且利用硼烯载流子浓度可调的特点，对耦合系统中的振幅相位等光场物理量进行调控，为设计基于硼烯材料的新型光电子器件提供理论指导。主要的研究内容如下: (1)基于磁等离激元和硼烯表面等离激元之间的强耦合，从理论上提出了一种在通信频段内连续可调的光调制器。结果表明，劈裂能量由模式间的耦合强度决定，而耦合强度可以通过调节硼烯单层与银光栅之间的距离来调节。通过调控硼烯的载流子浓度来驱动两种模式的耦合或解耦，在1544nm处的吸收值几乎可以从0到1连续调节，最大调制深度可达94.8％。此研究利用了模式间的强耦合极大地增强了光与物质间的相互作用并为设计基于硼烯的光学调制器提供了理论指导。 (2)提出了一个由单层硼烯和钙钛矿光栅组成的耦合系统，用于研究硼烯等离激元和钙钛矿激子模式之间的强耦合。通过对硼烯等离激元模式的谐振能量进行调节，使其与激子模式的谐振能量相匹配，在零失谐条件下获得了高达230 meV的拉比劈裂。基于此，通过控制硼烯的载流子浓度来驱动两种模式的耦合或解耦，其反射幅度调制深度高达99.9％,而且实现了 1.76π相位范围调制。此研究为设计工作在室温下的极化激元光电子器件提供了有益的理论指导。 (3)提出了一种通过匹配耦合系统的阻尼率和谐振频率来构建Friedrich-Wintgen bound state in the continuum(FW-BIC)的方法，并且基于此增强硼烯材料的品质因子的方法，设计了基于二聚体光栅与硼烯条带的耦合系统。结果表明，通过精心设计二聚体光栅扰动引起的不对称参数，使准BIC的辐射阻尼率与硼烯离激元模式的辐射阻尼率相匹配，从而在交叉点附近形成FW BIC,极大地增强了模式的品质因子。并且硼烯条带与介质光栅的相对位置的变化可以显著改变耦合体系的能量分裂和群时延指数。此研究为系统地产生FW BIC提供了一种新的策略，并为设计有源等离子体光学器件提供了理论支持。