毕业论文-硅阵列复合体系的光吸收特性的研究

1、毕业论文设计题目石墨烯-硅阵列复合体系的光吸收特性的研究 学生姓名 学 号 专业班级 应用物理11-1班 指导教师 院系名称 电子科学与应用物理学院 2015年06月05日目录中文摘要1英文摘要21绪论31.1 研究背景及意义31.1.1 研究背景31.1.2 研究意义31.2 表面等离子体激元介绍41.2.1 表面等离子体激元的色散41.2.2 表面等离子体激元的激发51.2.3 表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）71.3 电磁数值计算方法简介81.3.1麦克斯韦方程组和边界条件81.3.2 数值模拟方法92 石墨烯-硅阵列复合体系的光吸收特性的研究102.1 石墨烯电磁模型102.1.1 石墨烯电导率102.1.2 石墨烯介电常数112.2 石墨烯-硅阵列复合体系的光吸收特性142.2.1 石墨烯-硅阵列结构142.2.2 石墨烯-硅阵列一维矩形光栅的光吸收特性152.2.2.1 光栅调制深度对光栅反射谱的影响162.2.2.2 光栅周期对光反射谱的影响182.2.2.3 光栅占空比对光栅反射谱的影响183石墨烯硅阵列光栅结构的光吸收特性

2、研究203.1 石墨烯-硅梯形光栅结构的光吸收特性203.1.1梯形光栅结构203.1.2 石墨烯-硅梯形光栅的光吸收特性203.1.3 石墨烯-硅梯形光栅结构参数对反射谱的影响223.1.3.1 调制深度对光栅反射谱的影响223.1.3.2 光栅周期对光栅反射谱的影响233.2 石墨烯-硅三角形光栅结构的光吸收特性243.2.1 三角形光栅结构243.2.2 石墨烯-硅三角形光栅的光吸收特性243.2.3 石墨烯-硅三角形光栅结构参数对反射谱的影响263.2.3.1 调制深度对光栅反射谱的影响263.2.3.2 光栅周期对光栅反射谱的影响274论文小结28致谢29参考文献30石墨烯-硅阵列复合体系的光吸收特性的研究摘要：石墨烯以其独特的光学和电学特性而在材料科学、化学、微电子等领域得以广泛地应用。表面等离子体激元是金属表面电子集体振荡产生的局域电磁波，具有近场局域增强和空间高度局域的特性。基于石墨烯复合材料体系的光学特性一直是前沿光学的研究热点并受到强烈关注。本文理论分析并计算了石墨烯材料的介电常数随波长的变化关系，采用电磁波的有限元算法系统的研究了石墨烯薄膜-硅阵列的复合体系的光吸

3、收特性。具体研究了硅阵列光栅高度、光栅周期、占空比等因素对体系反射谱的影响，并在此基础上对比了矩形、梯形、三角形光栅光吸收特性的差异。上述研究成果将为太阳能电池、高灵敏度光电探测器及半导体发光器件的设计与制备提供重要的理论依据。关键词：石墨烯，硅阵列，表面等离子体，光栅，反射谱Abstract: Graphene is widely used in the area of materials science, chemistry and mircroelectronics for its unique optical and electrionic characteristics. Surface plasmon polaritons(SPs), as a kind of collective electron oscillation,can obtain greatly enhanced lacalizedelectric field.Recentil, the optical properties of grapheme based devices have always been

4、 the hot spot in advanced optics an electronics. In this paper,we theoretically calculated the epsilon of graphene as a function of working wavelength and chemistry potential. Using finite element method(FEM), we systematically analyzed the influence of period, length and duty cycle of silicon grating as well as incident angle on the reflectance sepectrum of grapheme-silicon grating regime. Through calculation, we found trapziform and triangle grating array system demonstrates the better light a

5、bsorption and SPP excitation capability compared to rectangle one. Our research results will provide the helpful theoretical basis for many applications, such as solar cell, high sensitivity photo detector, etc.Keywords:Graphene; silicon array; surface plasmon; grating; reflectance spectrum. 1绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景石墨烯是世界上已知最薄且最坚硬的纳米材料，它是由单层碳原子组成的六角蜂巢状的二维平面材料，因其具有独特的电子结构，而展现了独特的电学特性【1】。近年来，石墨烯所展现出的独特的光学特性也引起了人们强烈的关注。如实验上已经证实了石墨烯可用于实现宽频带的光学偏振器和超高速的光学调制器。石墨烯的电导率可通过改变其化学势来快速调制。当石墨烯化学势高过光子能量的一半时，带内跃

6、迁占优势，石墨烯可表现出金属特性。因而，可利用横磁波（TM）在石墨烯表面激发表面等离子体激元（suface plasmom polaritions,SPPs）。与金属激发表面等离子体激元相比,石墨烯具有其独特的性能：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【2】；第二，石墨烯激发的等离子体激元的吸收损耗比普通金属低，因而表面等离子体激元具有较大的传播长度；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控。1.1.2 研究意义石墨烯本质上是零能带半导体，因而在纳米电子学应用上很有前景。石墨烯的电子输运特性（如：电导率）可通过电场、磁场或化合物参杂等多种手段来调控，这样可以得到多种性能优良的电子器件。电子器件的电路产生的焦耳热会对器件性能与工作稳定产生较大的影响，而光子回路则可有效避免发热带来的种种弊端。但要实现纳米尺度的光子电路传输：一是光学器件的大小微型化；二是在纳米尺度下控制光场，实现在纳米尺度内的聚焦、变换、耦合、折射、传导和复用，以及实现高准直、超衍射的新型光源和各种纳米光子学器件【3】。表面等离子体激元，由于

7、其具有空间衍射受限、场强高度局域等特性，可以实现突破衍射极限的光传输，因而基于表面等离子体激元的光子器件尺寸可以缩小到纳米数量级，这也为亚波长光子回路的实现提供了可能。由于石墨烯的厚度仅为单原子尺寸，因而基于石墨烯的表面等离子体可以通过外加电、磁等方式进行灵活调制，因而在新型高性能纳米光子学器件的应用具有广阔的应用前景。 1.2 表面等离子体激元介绍1.2.1 表面等离子体激元的色散表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）是光和金属表面的自由电子相互作用引起的一种电磁波模式，也可以说是在局域的金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态【4】，电磁波与金属表面电子耦合作集体振荡，表面等离子波沿着表面传播，能量在垂直表面的方向是呈指数递减。图 1.1 电介质/金属表面产生SPPs为揭示SPPs的存在条件与性质，我们可写出空间的电磁场分布，如图1.1，Y=0为两种物质的分界面，Y0的上部分为相对介电常数为的各向同性电介质材料，为大于零的正实数；Y0的下部分为相对介电常数为的各向同性金属，一般 0,| 。先考虑TM偏振（磁场垂直xy平面），则

8、：其中， , 。由边界条件得： 。计算得： 而对于TE偏振，计算无解，即TE偏振不能激发表面等离子体。可以看出，激发表面等离子体激元需要满足：第一，要使电磁场在金属表面高度局域化，则和都应该为正值，则由上式可得出和互为异号，所以要求分界面两侧中必须有一负的介电常数，金属介电常数就是负数；第二，要能使得表面等离子体波能够沿着金属表面传播，则为实数，这就要求。图 1.2表面等离子体色散关系在光频区，, ,有|，所以。图1.2为表面等离子体激元的色散关系曲线。由推导知，表面等离子体的波矢量大于入射波的波矢量，因而不能用入射光波来直接激发表面等离子体激元。1.2.2 表面等离子体激元的激发方式由上节讨论知，表面等离子体不能由入射波直接激发，所以为了激励表面等离子体激元，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种【5】：一种棱镜耦合是Kretschmann结构【6】：，金属薄膜与棱镜结合，入射波的入射角大于棱镜与空气的全反射角，然后用棱镜的折射率来波矢补偿来实现波矢匹配，从而激发表面等离子体；另一种棱镜耦合是Otto结构【7】，棱镜和金属薄膜间有很小的空气隙，光波适合的条件入射则能激发表面等离子体激元。如下图1.3。图 1.3（a）Otto模型和 （b）retschmann模型结构 采用棱镜耦合结构：利用高折射率棱镜全反射产生的大量波矢倏逝波在金属膜表面激发表面等离子体，使入射光场的能量耦合到表面等离子体波中。棱镜耦合法激发表面表面等离子体波对入射角度极为敏感，仅当以该入射角光波的水平方向波矢与表面等离子体的波矢相匹配时才能激发表面等离子体波【8】。采用衍射光栅结构：通过光栅引入一个额外的波矢量增量来实现波矢量的匹配。常用的光栅主要是一维光栅，二维光栅和孔阵列结构【8】。以一维矩形光栅为例，如图1.4所示，金属表面上有光栅结构，通过光入射到光栅上产生的衍射场来实现波矢匹配。二维金属周期性结构的波矢匹配方程【9】：（1.2.1）其中，w为频率，为入射角，与偏振有关，当入射为TM偏振是。入射为s偏振时，n为金属相邻的介质折射率，为光波矢沿光栅表面平行的单位矢量，和为周期在x,y方向的单位倒格矢，为光栅常数，p,q为对应不同衍射方向的整数。当波矢匹配条件满足时，表面等离子体可以被有效的激发，表现为在反射光强度中出现极小值。图 1.4

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