采用导模共振激发表面等离子体波的石墨烯.docx

南京邮电大学毕业设计(论文)外文资料翻译学 院地理与生物信息学院专　　业生物医学工程学生姓名杜荣品班级学号B110903 B11090315外文出处附件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文指导教师评价：1．翻译内容与课题的结合度： √优 □ 良 □ 中 □ 差2．翻译内容的准确、流畅： √优 □ 良 □ 中 □ 差3．专业词汇翻译的准确性： □ 优 √良 □ 中 □ 差4．翻译字符数是否符合规定要求：√符合 □ 不符合　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　指导教师签名：晏善成　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2015 年　5月　15　日采用导模共振激发表面等离子体波的石墨烯Weilu Gao, Jie Shu, Ciyuan Qiu, and Qianfan Xu美国，德克萨斯77005，休斯敦，莱斯大学，电气和计算机工程摘要 我们提出了一种基于石墨烯的有源器件电浆子在单层石墨烯高度约束等离子波用硅蚀刻衍射光栅得到有效激发的导波共振在组合结构上创建的正常发生率透射谱尖锐缺口，作为入射光波耦合到石墨烯等离激元波。

这种结构可以用作一个高度可调光滤波器或宽带调制器，因为谐振波长可以快速调谐在宽波长范围内通过在费米能量的微小变化 石墨烯的水平在本文中，我们分析了该装置的使用有限差分时域仿真的性能我们提出的结构基础上结合电浆振荡最近展示了石墨烯纳米带进行比较石墨烯独特的电子特性1-3 使它建立一个高度集成有源光子器件和系统从近红外到太赫兹宽波长范围内的理想平台4-9活跃的等离子体是一个新兴的领域，允许光的外部控制和操作限制在一个有着深亚波长尺寸的结构中现有的等离子体设备要么速度10慢要么可调性受到限制11，12原则上，半导体中自由载流子（电子或空穴）可以被调整到几个数量级，从而导致发生戏剧性的变化这将允许对超宽可调性等离子体波的有强大的控制然而，在室温和高载流子密度情况下，传统半导体中载流子迁移速率太低无法支持等离子体波进行有意义的传播距离相比之下，即使在室温和高载流子密度情况下，载流子在石墨烯中依然保持着很高的迁移速率因此，高度限制的等离子体波能够在石墨烯膜上传播许多微米，这是石墨烯中等离子体波在中红外频率空间周期的100倍4 通过在场效应管施加一个偏置电压可以使石墨烯中载流子密度调整超过2个数量级大小，这可以实现调谐时间低于1纳秒。

14 除了广泛的可调性，石墨烯中的表面等离子体波具有极高的领域限制理论研究表明，中红外表面等离子体波的电场位于一层几十纳米厚，小于2个数量级的真空波长4 高度本地化的光场产生强大的光与物质的相互作用，可用于制造灵敏度传感器或打造高效能的非线性 光学器件15 表面等离子体波在较宽的波长范围还具有较低的群速度（∼c/100），当波慢慢的通过媒介传播时使光与物资的相互作用进一步增强尽管理论上可以预测这些令人印象深刻的能力，但是鉴于其波矢比自由空间电波大得多，所以关键的挑战是有效的耦合到该等离子体波而最近发现在石墨烯带中显示出了石墨烯表面等离子体效应，这是由于等离子体在有界的色带内振荡，而不是表面等离子体波在一个连续的石墨烯层传播在本文中，我们提出了在石墨烯薄利用衍射光栅膜创建一个导波，这样可以从正入射透射光谱直接观察到共振导膜共振耦合垂直入射的光波到传播表面等离子体波面内，从而在光传输的谐振频率产生强烈的变化这种结构使我们能够衡量色散和石墨烯中等离子体波光电性质的关系我们将证明，光栅充当它可以与石墨烯的费米能级的小变化来调谐可调谐的滤光器这种结构可以用于构建具有广泛工作带宽的超快空间光调制器，并且开辟了一种建立二维等离子体光子电路和金属材料的方法。

18 器件在中红外、远红外或者太赫兹波长范围内工作均可以建立不同的光栅周期 结果与讨论 石墨烯中等离激元波单层石墨烯的电子性质已经深入研究3，近期的理论分析4表明，高度约束等离子波所用的单层石墨烯传播这些波是由于电子或空穴沿波传播方向的周期性运动在中红外波长，当石墨烯被适当掺杂从带间跃迁和声子诱导的散射光的损失可以被抑制在此条件下，德鲁德模型适用，而分散的关系的等离子波为横向磁（TM）以连续的单层石墨烯模式是约4（参见材料和方法） 其中β（ω）是在平面内波矢量在石墨烯中，ℏ是约化普朗克常数，ε0 是真空介电常数，εr1 和εr2 为上面和石墨烯膜下方的材料的介电常数，τ是载流子的弛豫时间，和Ef=ℏVf(πn)12是费米能级，其中，n是载流子密度和Vf≈106m/s是在石墨烯的费米速度的绝对值载体弛豫时间τ决定了石墨烯载流子迁移μ为τ=μEf/eVf2单层石墨烯层被建模为具有金属样响应于平面电场和电介质状响应于表面法线电场（见材料和方法）二维电子气电浆色散在石墨烯属性是从其他类型的二维电子气体3的不同，由于石墨烯中的电子无质量如图1 ： 中红外电浆波在μ=万厘米/（V3秒）和EF= 0.64 eV.The蓝线的单层石墨烯薄膜色散特性示出了等离子模式的有效折射率，以及绿色虚线线示出的传播长度和模式的空间周期之间的比率。

波的频率是由它的真空测量矢 见图2硅衍射光栅辅助石墨烯等离子体激发的示意图石墨烯薄膜上载流子迁移率μ的范围从化学气相沉积（CVD）生长石墨烯中1000cm2(V∙s)到被剥离悬浮的石墨烯中230000cm2/(V∙s)19 当使用10000cm2/（V∙s）适度的流动性和有Ef =0.64电子伏特时，等离子模式的色散关系绘于图1中. 人们可以从具有高的有效折射率等离子模式的蓝线nff=Re(β)/k0的在中红外波长范围内，这意味着该等离子波的波矢比入射的大得多波其结果是，电场高度约束，这将在稍后被显示绿线表示传播长度为2个数量级比长电浆波的空间周期这相对低的损失允许高Q和超小型谐振待建通过激发衍射光栅等离子波的波矢大使我们打造尺寸远远超出了衍射极限的设备然而，为了激发在石墨烯等离子波与自由空间光波，其在波矢差大，必须克服光栅被广泛用于补偿矢错配这里，我们使用的硅的衍射光栅的石墨烯的下面，如图2所示，以方便激发光栅通过构图和在硅晶片上蚀刻浅沟槽形成的Λ所需频率ω0的光栅周期是由相匹配的等式确定。

其中，c是光的速度，θ是入射角，ω0/c是真空波矢k0GWR在硅上光栅单层石墨烯一）模拟正入射传输具有不同的光栅周期Λ对于E F =0.64 eV的光谱的基本模式的共振频率（b）的缩放相对于Λ该点是从时域有限差分模拟，并且线从基本模式在一个光栅周期当量3.（三）侧视电场分布来计算E场强度（四）分布在沿着两个点划线即在于在硅脊（红线）或气隙（蓝线）的中间的表面法线方向黑色虚线和绿色虚线是指数配件提取衰减长度e）该第二次模式在一个光栅周期侧视电场分布对于正入射波（θ= 0），一个导波共振（GWR）16,17是兴奋当光栅周期Λ等离子波（2π/（Re(β )））和光栅线的周期相匹配垂直于入射波的电场方向根据该条件下，正常入射波激励在石墨烯电浆波和光能量由于消散到欧姆损耗而等离子波传播中的石墨烯层因此，透射光谱显示在谐振频率附近ω0作为缺口在这里，我们模拟结构的图2中使用有限差分时域（FDTD）法对光学响应在模拟中，石墨烯层被建模为具有的厚度为0.5纳米的各向异性电子气（参见材料和方法）具有不同的光栅周期（Λ）的模拟正入射透射光谱示于图3a人们可以看到确实从GWRs尖锐缺口主凹槽具有~10dB和品质因数（Q）的〜40，这比大多数金属中红外共振结构更大的消光率。

谐振频率相对于Λ的缩放非常吻合用当量3，如图3b所示每个透射光谱，可以识别导致从多个等离子模式的多个槽口在一个光栅周期的基本模式的侧视图电场曲线示于图3cE场具有2π相移在每个光栅周期，和E场的符号翻转在硅肋的边缘图3d示出了在两个水平位置，这是指数拟合E场的变化在垂直方向，和衰减长度被定义，其中的强度下降到最大强度的1 / e图3d证实E场确实紧密沿着所述石墨烯层具有13.3毫微米在硅脊和24.2处通过空中沟槽的衰减长度受限在较高频率的凹口是由高阶模引起的第二阶模式的电场分布示于图3e中，其中电场具有在每个光栅周期的4π相移从第二次模式的切口可以通过调节硅光栅的占用比被最小化在GWR槽口在传输光谱的消光比（ER）主要是由光损耗在石墨烯，其主要特征在于，所述导电性在操作中红外频率的实部确定同时在剥离石墨烯的电子迁移率可超过230000 cm/2V∙s，在CVD石墨烯通常具有流动性低于10000 cm/2V∙s 由于生长或转移过程中引入的点缺陷和残余杂质石墨烯较低的流动性相当于更高的损耗和更低的固有Q值的GWR因此，在透射光谱的槽口变得更宽和更浅如如图4a所示，当流动性降低到μ= 1000平方厘米/（V3秒），对ER下降到约20的％的低，但可衡量的水平。

在附加到特征德鲁德模型中的杂质引起的损失，最近的实验显示，在红外光谱附加损耗范围，其中，导电率的测量实部是比由德鲁德模型和DC迁移率μ的预测高我们模拟设备与石墨烯的测量的电导率的透射光谱（参见材料和方法），其被示为在图4a中的青色点划线而在实验中观察到的额外损失严重限制所提出的器件的内质网（与石墨烯电浆设备表现一般），23 它不是决定性还多少这种附加损耗是从本征的进程，诸如电子π电子相互作用，以及有多少是从一个外在影响，如缺陷和衬底效应26-28 电子π电子相互作用被包括在参考文献中给出的模型，并与该模型的结果的仿真（图4a中的紫色点划线）给出比具有所测量的传导性的更好的ER即使电子？电子间动作是本征的，它可以通过使用不同的底物进行调谐，并且最近的测量表明，中红外电浆波的石墨烯的传播长度上SiC衬底同意什么是从德鲁德模型和DC迁移率预测因此，具有较高质量的石墨烯，低损耗石墨烯电浆波可以在将来得到此外，该损耗可能被通过粒子数反转引入的光学增益补偿影响对ER的另一个因素是光栅的强度要说明的是，我们添加硅光栅和石墨烯膜，从而降低了石墨烯电浆波和光栅之间的重叠，从而降低了光栅的有效强度之间存在小空气间隙。

一个可在图4b中看到的ER下降时，光栅被移动远离石墨烯薄膜，但消光比保持为高时，间隙小于30 nm波长共振频率蓝移随着间隙的增加因为电浆模式的有效折射率变小通过这样的间隙中，硅具有合适的掺杂水平光栅可以用作栅电极调谐石墨烯的费米能级由于栅电极和间隙之间的距离通常仅有几纳米，形状和谐振的消光比会非常接近那些与出的差距鉴于快速载流子扩散和小光栅周期，我们预计在石墨烯的载流子分布是，即使在栅电极图案化几乎均匀在GWR静电调整石墨烯等离子体最吸引人的特性是它超宽和快速可调性上面所示的陷波滤波器的电调谐可通过调整在石墨烯的费米能级达到在图中所示的模拟光谱5a确认宽调谐范围与如在费米能级商场变化调谐曲线非常吻合用当量3，如图5b所示石墨烯中的费米能级可以使用的FET结构，其中的大致关系为可能快速度来控制Vg是栅极电压已经表明，可以用几伏的栅极电压，这将导致谐振频率移位约100厘米来获得0.1电子伏特的费米能级变化除了作为一个高度可调光滤波器，快速调谐速度允许结构被用作空间光调制器，用于一个宽的频率范围内的中红外到太赫兹除了FDTD模拟，我们还分析性分析光栅结构与严格耦合波分析（RCWA）方法（参见材料和方法）。

结果吻合得很好用FDTD仿真，如图。