石墨烯光学性质以及二维材料的纳米光子学性质浅析

姓名：导师：日期：2017.6.30,石墨烯光学性质以及二维材料的纳米光子学,总体规划,首先通过网络搜集有关石墨烯的材料，对石墨烯做了初步的了解。然后完成对文献石墨烯的光学性质及其应用研究进展的精读，和对文献Two-dimensionalmaterialsfornanophotonics的浅翻译。下载了几篇与石墨烯相关的中文论文，进一步理解石墨烯的光学性质，并积累一些专业词汇。,知识点总结,石墨烯的能带结构石墨烯具有特殊的能带结构，如图所示，具有零带隙（布里渊区k和k导带和价带是简并的），布里渊区中心点导带价带的电子态具有20eV的能量差，费米能级位于狄拉克点处。如此特殊的性质使石墨烯具有其他半导体材料所没有的的特殊光学性质。,石墨烯线性光学性质,二维石墨烯布里渊区K点处的能量与动量成线性关系，载流子的有效质量为0，使其具有量子效应和室温下的载流子近弹道传输以及很高的单层石墨烯吸光率。狄拉克电子的线性分布，赋予石墨烯对从可见到太赫兹宽波段每层吸收2.3%的光。狄拉克电子的超快动力学和泡利阻隔在锥形能带结构中的存在，赋予石墨烯优秀的非线性光学性质。石墨烯的反射率小于其光学透过率。多层石墨烯的光学吸收率与石墨烯的层数成正比。通过化学掺杂或电学调控的手段，可石墨烯的光学透过性可以通过化学掺杂和电学调控改变。,石墨烯的非线性光学性质,原因：入射光所产生的电场与石墨烯内碳原子的外层电子发生共振时，石墨烯内电子云相对于原子核的位置发生偏移，并产生极化，由此导致了石墨烯的非线性光学性质。类型：饱和吸收、自聚焦、克尔效应、光学双稳态及孤波传播等。特性：施加一垂直于石墨烯表面的直流电场，可以有效调控一阶线性极化率的数值，从而改变石墨烯的折射率。石墨烯的光学非线性大多取决于其三阶非线性极化率（单位体积内极化强度与外加电场三次幂的比值），实际一般用面电流积分总和的n阶导数来描述。,石墨烯的光吸收,光与石墨烯的相互作用从能带跃迁的角度主要有两种：带间跃迁和带内跃迁。远红外和太赫兹光谱区为带内跃迁，近红外及可见光光谱区主要是带间跃迁；带间跃迁下可以通过费米面来调节光吸收，调控方式通过化学掺杂和门电压调节载流子浓度，也可以用强光泵浦法。石墨烯等离激元相对传统金属的三大优点；更强的局域性、易于控制等离激元谱、更长的光学周期。化学掺杂，门电压调控方式可以控制带间跃迁，采用合理的掺杂方式可以使可调控的光谱范围达到可见光。,光与石墨烯相互作用增强方式,激发表面等离激元波（石墨烯铺在金纳米结构上）设置光学振荡腔（在石墨烯上下面安装特定频率的镜面膜）硅波导石墨烯结构（将石墨烯铺到波导表面）这三种方法缺点是都一定的牺牲了石墨烯带宽的性质,硅波导增强方式,光学振荡腔增强方式,石墨烯光子和光电子器件,优点：具有独特的能带结构，可调的载流子浓度，超快的室温下载流子迁移率，能带在K和k点无带隙，费米面可以通过门电压、化学掺杂等方式调节。也具有能够拉伸20%的柔性。应用：柔性电极触摸屏、光伏器件、基于波导的光电器件、石墨烯非线性光学器件。,全内反射结构下石墨烯,特点：采用棱镜全内反射结构，石墨烯与光相互作用具有偏振吸收和宽带相干吸收增强的特点。光与石墨烯通过倏逝场相互作用，对于TE和TM偏振光石墨烯与光的相互作用程度不同，体现出具有偏振吸收的特点。应用：通过偏振吸收特性进行石墨烯层数的测量；基于石墨烯偏振依赖性质进行的光存储；基于全内反射下石墨烯的偏振吸收效应和结合微流体技术设计灵敏的折射率传感器，灵敏度高、免标记、实时性好等优点；PDMS微流体通道-高温氧化石墨烯-石英片三明治结构和棱镜组成的石墨烯基基单细胞传感器。,石墨烯层数测量,石墨烯棱镜全内反射结构,二维材料的纳米光子学,本文主要探索石墨烯，黒磷，过渡金属二硫化物等二维材料的纳米光子学特性和应用。石墨烯的具有在狄拉克点附近能带的线性色散关系和零带隙的结构、支持局部等离激元和可控的费米能级、对宽光谱范围内光信号的高灵敏度等优点。可以制作光电探测器，光调制器，但不适合做光源。hBN具有6eV的大带隙，蜂窝状晶格结构的层状材料，表现出杰出的绝缘体性能。TMDCs具有1.5-2.5eV能量范围，适合作为发光二极管和激光源。黒磷具有0.3eV的适中带隙，而且可调的带隙可以弥补石墨烯和TMDCs之间的带隙空缺。在光探测器和光源产生应用中可以覆盖广泛的波长范围。,光探测器,1.高速、宽带宽的光电探测器，用于通信、传感、数字成像是必不可少的，大多数传统的商业光电探测器都是基于硅或III-V半导体上。2.当光子它们被吸收到光电二极管的耗尽区，激发电子空穴对和自身分离导致光电响应。(通常被称为“光伏效应”）认为是基于石墨烯的光电探测器早期的操作原理。由于单层石墨烯较低的光吸收限制了石墨烯光探测器的光响应度，所以提出了金属-石墨烯-金属（MGM）非对称电极光探测器，实现6.1mAW的外部响应，同时具有超宽带、高速和与电路的兼容性的性质，但是光响应度还是很低。所以提出了下面几种方案。石墨烯与等离子体纳米结构相结合使光集中用于等离子体共振，从而使局部电场得到显著增强。在量子效率方面得到巨大提高。但也会导致可操作宽带的范围减少。,整合量子点和石墨烯用胶体量子点覆盖石墨烯可以获得具有能够获得具有电子/光子的的超高光电探测和的光响应的光电探测器。但由于需要长时间产生增益，它们的运算速度也很低。石墨烯与微腔结合可以在给定的波长上实现了20倍的光电流增强。空腔诱导的光学约束可以增强光反应度，但也缩小其使用的带宽范围。将石墨烯耦合到各种波导中这种光电探测器具有出色的性能。具有很高的光响应度,超宽的带宽(从可见光到红外波段),效率高、高速、和局域性。,光调制器,介绍：调制器在光通信中起着至关重要的作用。以石墨烯为基础的光学调制器，具有强的石墨烯光相互作用、超高速运算速度、大带宽和对硅电子工业的高度兼容性。尽管石墨烯的光吸收系数大，但单层石墨烯的超薄性质大大限制了其吸收。所以有必要加强石墨烯-光子的相互作用，特别是波导或光学腔。方法：1单层石墨烯平铺到波导上，中间夹了7nm的，在石墨烯和波导之间施加一个驱动电压来调节费米能级。2用单层的石墨烯取代掺杂的硅层，形成双层石墨烯光调制器。3耦合二维材料到光学腔提供了另一种方法，在覆盖硅光子晶体纳米腔的上，通过电子控制石墨烯堆集合成了高对比度、高能量效率和宽带的光电调制器。4全光调制器，由超细纤维包裹单层石墨烯，具有消除“电子瓶颈”能力。,石墨烯等离激元学,由于石墨烯同时具有高的载流子迁移率和高导电性，它也成为了一种极具前景的太赫兹到中红外等离子体器件应用的候选材料。等离子体具有高局域场强度，广泛用于包括光学天线，近场光学显微镜，化学和生物传感器和亚波长光学器件等。和传统等离子材料相比具有以下优点：可以通过化学掺杂和门电压调控。具有更强的局域性低损耗和长寿命结晶度,过渡金属二硫化物光子学,1.过渡金属二硫化物(TMDCs)是化学公式为MX2的材料，M代表Mo、W、Nb、Re这一类元素，X是硫元素。2.TMDCs的层间相互作用是弱范德华力，而平面成键是强共价键。因此TMDCs可以被剥离到类似石墨烯的薄膜结构，显著地扩展了二维材料的材料库。一些二维的TMDCs，如钼和钨的硫化物，在多层的形式中有间接带隙，而在它们的单层形式中成为直接带隙半导体。他们相当大的和可调带隙，不仅仅能产生强的光致发光，也能打开像光电探测器，能量收集器，电致发光等光电器件的大门。而且不同于石墨烯基器件，他具有可操作的光谱范围。另外，在一些二维的TMDCs中已经证明了的奇异光学性质，如谷相干和谷选择性的圆二色性，使这些材料非常有希望发现新的物理现象。,基于二维TMDCs的光电探测器,与基于石墨烯的光探测器相比，基于二维TMDCs的光电探测器具有更高的光响应度，洛佩斯-桑切斯等人已经通过多种二维过渡金属二硫化物制造出高灵敏度的光电探测器，如，等等。大多数探测器都是在可见光谱中运行的，因为它们的带隙约为1.5-2.5eV。在可见的范围内，这些光电探测器比原始的基于石墨的光电探测器具有更好的性能。,基于二维TMDCs的发光二极管,发光二极管(LED)广泛用于显示、照明和传感。单层的TMDCs(如WSe2)是直接带隙的半导体，电子和空穴可以很容易地在辐射过程中相互结合，产生光子。在接触区域处和发生在高p掺杂的硅基板上的电致发光也能在单层MoS2场效应晶体管中得到。然而，基于M0S2发光二极管的光电效率相对较低，并且随载流子注入而显著下降。获得空穴传导的难度，无效的接触以及单层MoS2的有限的光学性能阻碍了MoS2发光二极管的潜在应用。,黑磷的光电子学应用,1.黑磷(BP)是一种新兴的二维材料，具有褶皱正交晶格（如图）。它的各向异性平面晶格结构降低了空间对称性，导致高度的各向异性电子和光电特性。块状黒磷有一个0.3ev的适度带隙，并且随着层数的减少而单调增加，甚至能够达到单层2eV。因此，对于光电子应用，黑磷可以覆盖很宽的光谱，从可见到中红外。黑磷可调温和的直接带隙桥接起零带隙的石墨烯和相对宽带隙对的TMDCs，使黑磷成为未来电子和光电子应用的一种有前景的材料。2.层状黑磷的能带结构明显受强多电子效应的影响，同时层状黑磷的能带结构具有可调性。这使他成为能够应用到更宽的波段设备。3.黑磷晶体管的光敏反应和黑磷光电探测器在可见光和红外区域可记录超高分辨率图像。除了黑磷的光电效应，还有线性二色性，空穴迁移率，等独特性质。,4.黑磷的研究和应用仍面临一些挑战。例如，单层黑磷在空气中快速降级，氧化和水吸收。因此，开发清洁高效的保护措施是必要的。此外，目前生产的薄层BP依赖于机械去角质方法，这种方法产量低。因此，我们需要发展出大面积的合成方法来生产晶圆片的薄层黒磷。展望未来首先要进一步了解激光，光学非线性，光反应