基于石墨烯等離激元及六方氮化硼的微納光器件的研究.pdf

1、在過去的十多年中，石墨烯這種內(nèi)部碳原子呈蜂窩狀排布的二維材料的足跡遍布從柔性電子器件到電子墨水等一系列的應(yīng)用之中。石墨烯的存在不僅為顯著提升現(xiàn)有微納器件性能指出了新的方向，更使得設(shè)計(jì)具有新型功能的石墨烯器件成為了可能。與傳統(tǒng)等離激元相比，石墨烯等離激元具有許多卓越的性質(zhì)，例如可調(diào)諧的載流子濃度以及更強(qiáng)的場(chǎng)束縛能力。六方氮化硼是一種具有雙曲色散曲線的天然范德華晶體，并且其內(nèi)部支持的雙曲聲子極化模式具有與石墨烯等離激元相接近的色散特性，但更

2、低的傳輸損耗。石墨烯-六方氮化硼異質(zhì)結(jié)具有眾多優(yōu)越特性，例如作為襯底，能夠維持覆蓋在其表面石墨烯的杰出電學(xué)特性以及支持等離激元-聲子極化混合模式的傳播等等。等離激元-聲子極化混合模式因兼具有石墨烯等離激元的寬帶性，可調(diào)諧性以及雙曲聲子極化模式的低損耗特性而成為了新興的研究熱點(diǎn)。本文的主要研究成果以及創(chuàng)新點(diǎn)簡(jiǎn)述如下:
　　1.首次提出了基于石墨烯-介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)的雙曲超材料波導(dǎo)并分別通過數(shù)值計(jì)算以及等效介質(zhì)理論研究了其內(nèi)部所支持模式的

3、傳播特性。超材料本身所具有的雙曲色散特征允許該波導(dǎo)支持具有高達(dá)90的有效折射率的模式的傳播。在由兩個(gè)相同的雙曲超材料波導(dǎo)并列放置而形成的縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，縫隙區(qū)域中電場(chǎng)的幅值可以被增強(qiáng)約20倍且有高于70％的模式能量被束縛在其中，這大大優(yōu)于之前報(bào)道的基于硅以及傳統(tǒng)雙曲超材料的縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　2.首次利用在磁光晶體上石墨烯等離激元傳播的非互易性設(shè)計(jì)了一系列基于石墨烯等離激元的非互易器件，包括等離激元環(huán)形器，等離激元隔離器，磁控等離

4、激元邏輯門器件和非互易等離激元振子。其中石墨烯等離激元隔離器能夠?qū)崿F(xiàn)低至2dB的插入損耗以及高達(dá)42dB的消光比，并且其使能方向可以通過外加磁場(chǎng)的方向進(jìn)行控制。根據(jù)邏輯布爾運(yùn)算(Boolean Algebra)設(shè)計(jì)了磁控石墨烯等離激元邏輯門器件。邏輯門器件對(duì)于沿某一方向輸入的等離激元邏輯表達(dá)為或門(OR)或與門(AND)，而對(duì)相反方向輸入的等離激元表達(dá)為與非門(NAND)或或非門(NOR)。其中或門和與非門具有3dB的插入損耗并能夠?qū)崿F(xiàn)

5、高達(dá)13.6dB的消光比，而與門和或非門具有2.5dB的插入損耗以及最低為17.5dB的消光比。非互易等離激元振子基于石墨烯覆蓋的磁光材料納米線結(jié)構(gòu)，當(dāng)上述結(jié)構(gòu)與一個(gè)普通石墨烯片狀波導(dǎo)相耦合時(shí)，兩者組成具有非互易透射率的石墨烯等離激元濾波器，同樣也具有實(shí)現(xiàn)等離激元隔離器的潛力。隔離器的消光比可以通過外加磁場(chǎng)的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)并且其使能方向可以通過反轉(zhuǎn)外加磁場(chǎng)的方向來進(jìn)行切換，在適當(dāng)?shù)耐饧哟艌?chǎng)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)下該隔離器可以實(shí)現(xiàn)大于25dB的消光

6、比。
　　3.首次提出了基于石墨烯覆蓋的錐形介質(zhì)納米線的探針結(jié)構(gòu)，用于在紅外波段實(shí)現(xiàn)強(qiáng)場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。絕熱近似模型以及數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示石墨烯覆蓋的錐形納米線探針能夠?qū)崿F(xiàn)比普通錐形金屬探針強(qiáng)約一個(gè)數(shù)量級(jí)的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)且最大場(chǎng)幅值增強(qiáng)因子為24。提出了石墨烯覆蓋的納米線波導(dǎo)對(duì)結(jié)構(gòu)，并分別分析了波導(dǎo)對(duì)結(jié)構(gòu)所支持的六個(gè)最低階模式的有效折射率，歸一化傳播長(zhǎng)度，表面電荷分布以及模場(chǎng)分布情況。根據(jù)研究結(jié)果，六個(gè)最低階的模式可以根據(jù)其雜化情況分為單極子

7、-單極子雜化類型以及雙極子-雙極子雜化類型。研究發(fā)現(xiàn)在納米線波導(dǎo)對(duì)縫隙區(qū)域的場(chǎng)增強(qiáng)因子可以高達(dá)107，相較于銀納米線波導(dǎo)對(duì)而言至少提升了六個(gè)數(shù)量級(jí)。除此之外，兩個(gè)納米線之間的梯度力高達(dá)20nN/μm×mW，高于銀納米線波導(dǎo)對(duì)以及其他之前提出的縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)50倍有余。
　　4.首次提出了基于石墨烯覆蓋的螺旋形介質(zhì)光柵或石墨烯上覆蓋的螺旋型三角金屬天線陣列的圓偏振分析儀。當(dāng)介質(zhì)光柵或三角金屬天線作為激發(fā)源且激發(fā)源陣列的幾何相位效應(yīng)與入

8、射圓偏振光所攜帶的自旋角動(dòng)量相同或相反時(shí)，在透鏡中心等離激元被分別聚焦為空心圈狀或?qū)嵭狞c(diǎn)狀分布。得益于石墨烯等離激元的可調(diào)諧性，在不影響分析儀工作特性的前提下，分析儀的工作波長(zhǎng)可以通過石墨烯費(fèi)米能級(jí)來加以調(diào)節(jié)，并能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)550的消光比。首次采用具有排列為螺旋型且指向方向互相垂直的兩列矩形納米金屬天線實(shí)現(xiàn)等離激元定向激發(fā)的方式來提升圓偏振分析儀的性能。在等離激元定向激發(fā)的作用下，圓偏振分析儀所實(shí)現(xiàn)的消光比將會(huì)被進(jìn)一步提升至103以上。

9、
　　5.首次提出六方氮化硼縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并研究其縫隙區(qū)域支持的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，模式能量束縛效應(yīng)以及兩個(gè)六方氮化硼波導(dǎo)之間的梯度力現(xiàn)象。二維結(jié)構(gòu)的六方氮化硼縫隙波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)接近于60的場(chǎng)增強(qiáng)因子，接近于80％的功率束縛因子以及-8.5nN/μm×mW的梯度力，這大大高于基于傳統(tǒng)雙曲超材料的縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)1μm的三維縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)約為-1.2nN/mW的梯度力以及約為50％的功率束縛因子。利用數(shù)值計(jì)算分析了在楔形石墨烯-六方氮化硼