毕业答辩-石墨烯介电常数模型与表面等离激元激发特性.pptx

合肥工业大学电子科学与应用物理学院SchoolofElectronicScience3.能够突破衍射极限;4.具有很强的局域场增强效应;5.只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两侧。,定义：,特性：,研究背景与意义绪论,第一，在远红外区石墨烯激发的表面等离子体激元被紧紧束缚在表面且有效折射率与金属相比大的多；,第二，石墨烯激发的等离子体激元的阻尼损失与金属相比低，传播长度长；,第三，石墨烯激发的等离子体激元可以通过外加电场，磁场或门电压来动态调制。,与金属激发表面等离子体激元相比,石墨烯有其独特的性能：,石墨烯中的表面等离子体激元,研究背景与意义绪论,电子器件的线路会随着使用而发热，这制约了器件的运作，而用光子代替电子具有很多优势，则不会产生大量热，但是这也要求一般光子电路需在纳米数量级内控制光子。,表面等离子体激元有望解决这些难题。表面等离子体激元对电磁波在亚波长尺度的约束和局域特性，可以突破衍射极限，可将光子器件尺寸缩小到纳米量级。,通过石墨烯的独特性能而激发的表面等离子体有许多优势，从而可以制造出理想的纳米光子学器件。,本文主旨,理论研究石墨烯的介电常数模型，讨论了其对波长的依赖关系,对比研究了矩形、梯形、三角形石墨烯-硅光栅体系的表面等离子体激发特性，得出了石墨烯等离子体激发特性对光栅结构的依赖关系。,研究了石墨烯-硅光栅的复合体系的激发表面等离子体表面等离子体激发条件及场分布特点。,思路和方案,由前表面等离子体激发特性，要想发生等离子体激发，石墨烯必须表现为金属特性,构建石墨烯介电常数模型，找出使得石墨烯表现为金属特性，也就是介电常数实部为负的外界条件,找到使得石墨烯能激发表面等离子体的外界条件，带入comsol进行仿真，用比较的方法，改变外界的条件从而得出石墨烯表面等离子体激元激发特性,思路和方案,在PC机的软件套装matlab环境下进行石墨烯介电常数实部对于不同波长的数值计算，画出石墨烯介电常数关于不同波长下的图形，确定一个是介电常数为负的波长。,带入使得石墨烯介电常数为负的波长，用comsol进行仿真，改变激发的外界条件，最后比较得出石墨烯表面等离子体的激发特性。,石墨烯介电常数模型,石墨烯介电常数模型,石墨烯介电常数模型,石墨烯介电常数模型,石墨烯介电常数模型,由Matlab计算的石墨烯关于波长与化学势的介电常数实部的图像，波长范围为5001500nm。当=0.5ps，阻抗=377，=0.33nm时，化学势为00.4ev时,介电常数实部,石墨烯介电常数模型,介电常数实部,图中绿线对应纵坐标恒为零，从图上可以看出，在0.15ev下，石墨烯介电常数实部为零时，波长约为764.2nm；在0.30ev下，石墨烯介电常数实部为零时，波长约为534.5nm。,石墨烯介电常数模型,介电常数实部,从图像可以看出，随着化学势的增加，石墨烯介电常数的实部越来越小，在同一化学势前提下，介电常数实部随波长的增加而减小。而在同一化学势下，石墨烯实部随波长的增加而减少，这表明随着波长的增加，石墨烯金属特性愈发明显。,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,通过改变石墨烯的介电常数或者所处的外界环境，来一一比较得出石墨烯表面等离子体激发特性,实验方法：,仿真方法：,选用衍射补偿法，为了简便起见，先模拟一维矩形光栅，且光垂直入射，结构图如下：,我们取石墨烯层厚度为2nm，衬底我们取硅，入射波长取1050nm，空气阻抗为377。,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,一维矩形光栅，结构结构单元如下：,我们用comsol进行仿真，空气折射率取1，硅的折射率取3.6（硅的折射率随波长变化而变化，在波长为1050nm下的折射率约为3.6）。单元的宽度，即光栅常数取800nm，光栅高度取800nm，衬底取1000nm。最后截取结构表面电场强度分布的图形。,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较一：石墨烯介电常数分别为正为负,化学势为2ev，此时=3.1143+0.0046i,化学势为0.1ev，此时=0.7943+2.2918104i,1.为负，金属特性,2.为正，非金属特性,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较一：石墨烯介电常数分别为正为负,取石墨烯上表层电场强度分布,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较二：光栅耦合在激发中的必要性,上面的一维矩形结构都带有光栅耦合，无光栅耦合如下图,将硅柱两侧的空气介质换成硅，这样石墨烯薄层下就全为硅，不构成光栅结构,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,1.无光栅结构,2.有光栅结构,比较二：光栅耦合在激发中的必要性,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较二：光栅耦合在激发中的必要性,取石墨烯上表层电场强度分布,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较二：光栅耦合在激发中的必要性,Why？,代入，算得=2.4313e+08+2.7070e+05i,石墨烯中波矢明显大于真空中波矢0,波矢匹配,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较三：光栅结构对激发的影响,1.矩形结构,2.梯形结构,3.三角形结构,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较三：光栅结构对激发的影响,1.矩形结构,2.梯形结构,3.三角形结构,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较三：光栅结构对激发的影响,取石墨烯上表层电场强度分布,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较三：光栅结构对激发的影响,结论：,梯形的激发强度最高，三角形光栅也能够激发表面等离子体，但是和矩形光栅结构，或者梯形光栅结构相比激发强度要弱得多。是因为三角形光栅耦合性不是很高，达不到激发强度的要求,各光栅结构表面电场分布都呈现出对称分布，本次外界条件下都只在石墨烯与空气的接触面激发,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较四：光入射角度对激发的影响,前面考虑都为光垂直石墨烯入射的情况，现在改变光入射角度,石墨烯表面等离子体激发特性仿真,比较四：光入射角度对激发的影响,结论：,随着角度的变化，激发现象也变得不同，且变化现象明显，直到90度时变化趋于稳定，在石墨烯与硅未接触面部分场强比接触部分高。当角度不为90度时，电场不对称分布,大角度入射角时，石墨烯薄膜附近的场强会有明显下降。,小结,1.只有石墨烯表现为金属特性时，也就是其介电常数实部为负时，表面等离子才能激发,2.必须使用特殊结构达到波矢匹配才能辅助表面等离子体激发,3.不同光栅结构的激发特性各不相同，各光栅结构表面电场分布都呈现出对称分布，本文的外界情