论文总字数：22498字

目 录

第一章 一维光子晶体 1

1.1一维光子晶体的介绍 1

1.2一维光子晶体的性质 3

1.2.1全向带隙特性 3

1.2.2光子局域 4

1.3一维光子晶体的应用 5

1.3.1光子晶体光纤 5

1.3.2光子晶体滤波器 5

1.3.3光子晶体隐身材料 5

1.3.4光子晶体结构色 6

1.3.5光子晶体传感器 6

1.3.6超级电容器 7

第二章 石墨烯 7

2.1石墨烯的介绍 7

2.2石墨烯的光电性质 7

2.2.1光学性质 7

2.2.2电学性质 7

2.3石墨烯的应用 8

2.3.1高强度相关领域的应用 8

2.3.2电能存储 8

2.3.3电子和光电设备 9

2.3.4压力传感器 9

2.3.5高比表面积相关领域的应用 9

2.4石墨烯存在的问题 10

第三章 使用一维光子晶体增强石墨烯吸收 10

3.1引言 10

3.2研究内容 11

3.3理论计算 12

3.4结果分析 14

3.5结论 17

3.6讨论 18

参考文献 18

致谢 20

一维光子晶体增强单层石墨烯光吸收研究

薛帅杰

, China

Abstract: Since graphene was prepared in 2004, it has become the focus of research in various disciplines. Graphene has an atomic-level thickness, excellent electrical conductivity, good flexibility, and extremely high light transmittance，which is of great significance for transparent electrodes and flexible screens. However, the very low light absorption rate limits the application in areas such as photodetection. A photonic crystal is a structure in which two dielectric materials are sequentially arranged, and its photonic bandgap structure can inhibit the propagation of electromagnetic waves. How to use photonic crystals to enhance the photoabsorption of graphene has attracted much attention. In this paper, two different arrangements of photonic crystals are used to cover both sides of single-layer graphene and prisms are added at both ends to achieve enhanced light absorption in the dual-band.

Key words: One-dimensional photonic crystal; Graphene; Enhanced absorption

第一章 一维光子晶体

1.1一维光子晶体的介绍

光子晶体是一种人造材料，它是由两种或者两种以上的不同介电常数的介质材料按照一定顺序排列在空间里构成的。电磁波在光子晶体中的传播服从反射、透射和折射原理。受到电子周期性的布拉格散射，电磁波会受到调制，光子晶体中会出现和电子类似的能带结构，称为光子能带。使用正确的晶格常数和介电常数，可以在光子晶体的光子能带形成特定的频率区域，在这个区域内频率被禁止通过，这个区域可以称为光子禁带，也可以称作光子带隙(如图1.1所示)。所以光子晶体也可以叫做光子带隙材料。

图1.1 光子带隙示意图

根据介质排列的的空间分布分类，可以把光子晶体分为一维光子晶体、二维光子晶体以及三维光子晶体。一维光子晶体是由两种不同介电常数的介质材料，按照一定的规律在一维空间内排列而成的，如图1.2所示。

图1.2 一维光子晶体

基于布洛赫理论，光子晶体可以形成光子禁带。半导体中，电子的波函数满足薛定谔方程。无源区条件下，满足哈密顿方程^[1]:

（1.1）

根据布洛赫原理，以及势函数V（）的周期性特性，在布里渊区的边缘将出现能带隙，如图1.3所示。光子晶体中，在介电常数呈空间周期分布的情况下，光的传播遵循麦克斯韦（Maxwell）方程：

（1.2）

可见，方程（1.1）和（1.2）对称。光在介电常数呈空间周期分布的介质中传播时，其，相当于方程（1.1）中的势函数V（r）。在光垂直入射的情况下，，方程（1.1）变成与方程（1.2）完全相同的标量。根据周期性的边界条件，频率不能通过的区间就是方程（1.2）没有解的频率区间，和电子带隙相似，因此这个区域被定义为“光子频率禁带”，也可以定义为“光子带隙”。

图1.3 电子带隙和光子带隙

类似于电子在半导体晶体中的行为，光子在光子晶体中的行为有相似之处。光子在光子晶体中的行为，可以利用光子禁带的特殊性质使之发生变化。有证据证实，光子带隙可以分为两种，分别是完全光子带隙与不完全光子带隙^[2]。所谓完全带隙，是指在某些频率区间内，不论是怎样的传播方向和偏振方向，光都无法穿过，可以认为在整个空间区间内每个传播方向上都有能带隙，并且能隙在整个区间内互相重叠。不完全光子带隙，指在整个空间内，能隙在所有方向上都不能完全重叠，或者是能隙知在特定方向上存在。光子晶体的特征主要由构成光子晶的介质材料的折射率之间的差值、不同折射率的介质材料在晶体里占据的比例以及介质材料的不同的排列顺序决定。光子晶体带隙的大小随着介质材料折射率之间的差值变化而变化，带隙越大，效率越高。

根据图1.3，左侧是电子在直接带隙半导体晶体中的色散曲线，右侧是光子的色散曲线。由于原子间距只有光波波长的1/1000，为了在同一图中与光子波矢匹配，将电子波矢除以1000^[3,4]。导带和价带附近的黑点分别是电子和空穴。假如价带中的一个空穴和导带中的一个电子相结合，那么就会在电子能带中形成一个光子。假如光子带隙和电子能带边恰好对应，由于光子的态密度在光子晶体的频率截止带中和零无限接近，那么电子-空穴复合产生的光子将无法传播，即电子-空穴的自发辐射复合被禁止，进而导致材料的自发辐射特性发生了很大变化，可以预期，这种现象对于半导体光子晶体的发展有着非常重要的意义。

1.2一维光子晶体的性质

1.2.1全向带隙特性

金属反射镜的反射率和光的入射角没有关系，但是由于它对电磁波有非常强的吸收作用，因此它的反射率很低。传统多层高反膜的反射率和入射角有关，随着入射角的增大，传统的多层高反膜的反射率会降低。1998年，Y.Fink等发现一维光子晶体可能具备完全的光子禁带，因此科学家对光子晶体的研究进入了新时期^[5,6]。Y.Fink认为由于一维光子晶体的界限是有限的，因此也会出现和二维、三维类似的全向能带结构^[5,6]。J.E.Dowling在理论研究中获得了一维光子晶体具有全向光子带隙的必要条件_[7]

(1.3)

式中，n₁、n₂分别表示两种介质的折射率；是从n₁介质入射至n₂介质中的最大折射角；θ_B是介质n₁和n₂界面的布儒斯特角。根据一维光子晶体的色散关系图图1.4可以看出，只有在涂黑部分，即时，才可能出现几乎所有方向入射的光线都不能透过的全向光子带隙。

假设n1gt;n2,，则有

(1.4)

(1.5)

其中，R是带隙反射率的最大值；N为层数；为带隙的中心波长；为带隙宽度；n_i、t_i是对应层折射率和厚度；n1/n2为折射率差。理论分析和实验研究表明一维光子晶体具有全向带隙特性^[8]。根据图1.4可以看出，只有在情况下，才有机会出现整个入射角区域都禁止通过的全向带隙。其中，对应TM波的能带闭合点。当n₀/n₁和n₂/n₁增大时，将减小，增大，更加满足上式的条件。

图1.4 归一化频率和入射角度的色散图

1.2.2光子局域

假设在光子晶体内引入一定程度的缺陷，就会在光子禁带中导入新的电磁波模式。如果光子频率和和缺陷态频率相吻合，光子就有可能被限制在缺陷位置，这就是光子局域。一旦远离缺陷区域，光会快速地减弱。对于光子晶体缺陷，光子局域会导致之前的情况。如果破坏了光子晶体原本的对称性，那么光子局域就有可能出现在光子晶体的光子禁带处。

1.3一维光子晶体的应用

1.3.1光子晶体光纤

我们使用全反射原理来制造传统光纤。在全反射原理下，入射角小于临界值的光会在纤芯与包层交界处发生全反射，并不断向前，从而实现光只在纤芯中传播。当含有不同种类的光在光纤里传输时会导致色散，这会限制传输的带宽，光纤的大角度弯折则会导致导致信号传输距离减少，这些都是传统光纤的不足。而光子晶体光纤就可以解决这些问题，通过正确的设置，光子晶体光纤可以有大角度的弯折^[9]。纤芯与包层折射率插值比上纤芯折射率的值越大，传输效率越高，为了提高传输效率，在包层不变的情况下，所能做的就是提高纤芯折射率，对光子晶体掺杂可以提高折射率。光子晶体光纤理论是这样的：对光子晶体进行掺杂形成缺陷，光子禁带内的光就会被限制在缺陷内。世界上第一种使用固体纤芯的光子晶体光纤在1996年问世，由Russell和Knight等^[10]制造，它使用固体纤芯，包层内没有光子带隙，经研究证实：它的光损耗非常低。第一种空气纤芯光子晶体在1999年面世，它由Cregan^[11]研制。二维光子晶体作为包层，光波波长和光子禁带匹配，因此光无法穿过包层只能在纤芯中传播，降低了光的传输损耗。

1.3.2光子晶体滤波器

我们既能在宽带带阻滤波器中应用光子晶体，也能在极窄带选频器中加以使用^[12]。由于存在光子带隙结构，所以光子晶体本身就是可以看作一个简易的带阻滤波器，光子晶体共振腔可以通过在光子晶体内引入缺陷来制备。基于光子晶体中的缺陷频率和入射光的频率相匹配时会引发共振的特点，可以在光子晶体滤波器上实现宽带滤波功能，而典型的滤波器是没有设个功能的。当一部分组成光子晶体的单元被移除时，光子晶体就会形成缺陷，此时一些位于光子频率禁带内的光就可以穿过光子晶体，高品质的极窄带选频滤波器就是基于这一原理制造出来的。

1.3.3光子晶体隐身材料

由于光子晶体的光子频率禁带特性，因此光无法穿过光子晶体，这使得红外多波段低辐射称为可能。在光子晶体中引入缺陷态可以将与缺陷态频率对应的光子局域在缺陷位置，为红外与其他波段兼容隐身提供了思路。一维光子晶体结构的红外隐身材料利用光子禁带能够实现极低的红外辐射率，调节光子禁带，可以实现中远红外双波段兼容隐身。1998年，Fink等^[13]设计制造了用聚苯乙烯和碲交替排列构成的一维光子晶体，通过设计可以以得到这种材料在不同波段的的光子禁带，基于一维光子晶体的光子带隙特征，他们研制了一种可以在10到15微米近红外波段工作的全向反射镜。因为可以根据具体需求来设计所需波段的光子禁带，所以在红外隐身领域能得到一定程度的运用，但是无法覆盖很宽的红外频谱范围。

1.3.4光子晶体结构色

光子带隙是光子晶体的重要特征，它可以对光进行筛选，形成光子晶体结构色。光子晶体结构色具有色素不具有的高亮度、高饱和度、不褪色等优势，在太阳能电池、防伪标识、材料图形化、柔性自支撑结构色膜、结构色纤维等领域有许多应用。杨柏课题组^[14]在聚合物型一维光子晶体膜的基础上，利用光刻蚀实现图案化，在防伪标识方面有很好的应用价值。该课题组以聚(N-异丙基丙烯酰胺)-聚甲基丙烯酸环氧丙酯(PNIPAM-PGMA)和聚甲基丙烯酸甲酯为组装材料构筑多层膜结构，由于两种聚合物材料层折射率相差不大，光子晶体膜不能呈现出结构色，之后用图案化的模板罩住聚合物膜，紫外灯照射，暴露于紫外光的部分发生交联，赋予光子纸隐形图案， 将此膜浸入水中，PNIPAM-PGMA 层膨胀，基于膨胀程度不同，产生不同的光子禁带和结构色，隐形的图案在水中显现。如图1.5 所示为该课题组制备的印有“J”“L”“U”3个字母的光子晶体，在浸入水中之前无图案，随着在水中浸泡时间的增加，光子晶体膜的膨胀程度增大，颜色和图案逐渐变得清晰。另外，由于聚合物膜具有温度响应性，将其浸入不同温度的水中，呈现出不同颜色的图案，提高了防伪标识的应用价值。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：22498字

相关图片展示：