基于石墨烯超材料的太赫茲等離激元誘導(dǎo)透明現(xiàn)象研究

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1、⑩次豸ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中國(guó)第－所現(xiàn)代大學(xué)ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士學(xué)位論文Ｂｉｉｉｏｏｒ棚鯽誦—一級(jí)學(xué)科電子科學(xué)與技術(shù)：學(xué)科專(zhuān)業(yè)：光電子技術(shù)趙曉蕾：作者姓名指導(dǎo)教師：姚建銓院士天津大學(xué)研究生院２０１７年５月基于石墨烯超材料的太赫茲等離激元誘導(dǎo)透明現(xiàn)象研究Thestudyofterahertzplasmon-inducedtransparencyeffectbasedongraphenemetamaterials一級(jí)學(xué)科：電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科專(zhuān)業(yè)：光電子技術(shù)研究生：趙曉蕾指導(dǎo)教師：姚建銓院士天津大

2、學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院二零一七年五月摘要超材料所表現(xiàn)出來(lái)的重大科研價(jià)值及在諸多前沿領(lǐng)域所呈現(xiàn)的革命性應(yīng)用前景使其得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì)，超材料可構(gòu)造出自然界材料所不具備的特殊電磁性質(zhì)，這可很好地用于克服太赫茲波段當(dāng)前材料、功能器件稀缺的瓶頸。另外，石墨烯作為一種新興的二維材料具有優(yōu)異的可調(diào)控光電特性，是當(dāng)前在太赫茲至中紅外波段最具潛力的表面等離激元載體，在構(gòu)造可調(diào)諧太赫茲超材料領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。等離激元誘導(dǎo)透明現(xiàn)象是超材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它不僅規(guī)避了激發(fā)量子電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象所要求的苛刻工作條件，還很好地克服了對(duì)材料以及工作頻段的局限性

3、。因此，本文主要以超材料的理論及實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合二維材料石墨烯及光控半導(dǎo)體材料砷化鎵等，設(shè)計(jì)并研究了多種工作在太赫茲至遠(yuǎn)紅外波段的可調(diào)諧等離激元誘導(dǎo)透明超材料，現(xiàn)將本論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下：1.在超材料的數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)制備以及測(cè)試方法的研究中，提出了一種反向嵌套開(kāi)口諧振環(huán)超材料結(jié)構(gòu)，利用一種改進(jìn)的等效參數(shù)法詳細(xì)討論了該結(jié)構(gòu)在太赫茲正入射時(shí)的光學(xué)等效參數(shù)。實(shí)驗(yàn)方面，設(shè)計(jì)了一種變形的工字型超材料結(jié)構(gòu)，并以此為例詳細(xì)討論了二維超材料剝離法的制備工藝及測(cè)試技術(shù)。樣品的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論仿真結(jié)果基本吻合，這不僅驗(yàn)證了制備技術(shù)的可靠性同時(shí)也證明了模擬結(jié)果的可信性。2.

4、設(shè)計(jì)了兩種基于石墨烯周期微結(jié)構(gòu)的新型太赫茲可調(diào)諧等離激元誘導(dǎo)透明超材料。分別利用石墨烯偶極子局域等離激元諧振模與耦合激發(fā)的LC諧振模、石墨烯單極諧振模之間的相消干涉效應(yīng)，獲得了顯著的可調(diào)諧等離激元誘導(dǎo)透明窗口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)器件群折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控。3.提出了一種光柵耦合的雙層石墨烯混合系統(tǒng)，在遠(yuǎn)紅外波段實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的可調(diào)諧等離激元誘導(dǎo)透明效應(yīng)。該系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)模共振原理，將垂直入射電磁波通過(guò)衍射光柵耦合到由緩沖層分隔的兩層連續(xù)石墨烯薄膜中，從而激發(fā)石墨烯表面等離激元，這有效地避免了對(duì)石墨烯薄膜的圖樣刻蝕。此外我們發(fā)現(xiàn)隨著兩層石墨烯逐漸靠近，誘導(dǎo)透明窗口的產(chǎn)生機(jī)制由EIT效應(yīng)逐漸向

5、ATS效應(yīng)轉(zhuǎn)變。4.研究了基于一種石墨烯-金屬混合結(jié)構(gòu)的等離激元誘導(dǎo)透明超材料在太赫茲波段的生物傳感特性。該器件透射譜不僅呈現(xiàn)出尖銳的Fano線型誘導(dǎo)透明窗I口且表現(xiàn)出良好的偏振獨(dú)立性以及高靈敏的折射率傳感特性，最高靈敏度可達(dá)3.04THz/RIU。另外通過(guò)控制石墨烯圓盤(pán)的費(fèi)米能級(jí)可調(diào)節(jié)透明峰諧振頻率，使其與被測(cè)物的集體振動(dòng)模式重疊，從而進(jìn)一步提高傳感靈敏度。5.為了獲得高Q等離激元誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，我們將超材料與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種工作在太赫茲波段的光控可重構(gòu)的超材料-波導(dǎo)混合系統(tǒng)。通過(guò)在金屬短線陣列的襯底中引入波導(dǎo)層，獲得了兩個(gè)高Q的等離激元誘導(dǎo)透明峰。通過(guò)嵌入

6、光敏半導(dǎo)體砷化鎵，實(shí)現(xiàn)了由雙等離激元誘導(dǎo)透明到超窄帶導(dǎo)模共振濾波器的光控動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)模共振濾波器Q值高達(dá)578。關(guān)鍵詞：太赫茲波，超材料，石墨烯，等離激元誘導(dǎo)透明IIABSTRACTMetamaterialshavearousedextensiveattentionowingtotheirsignificantscientificresearchvaluesandrevolutionaryapplicationprospectsinmanycutting-edgeareas.Specialelectromagneticpropertiesnotfoundinnatur

7、ecanberealizedinmetamaterialsbymeansofrationalstructuredesign,whichcanbeutilizedtowellovercomethebottleneckofmaterialandfunctionaldeviceshortageintheterahertzregime.Inaddition,graphene,asanemergingtwo-dimensionalmaterial,hasexcellentandtunableelectricalandopticalproperties.Itis