石墨烯光學性質以及二維材料的納米光子學性質淺析

1、姓名： 導師： 日期：2017.6.30,石墨烯光學性質以及二維材料的納米光子學,,總體規(guī)劃,首先通過網絡搜集有關石墨烯的材料，對石墨烯做了初步的了解。然后完成對文獻《石墨烯的光學性質及其應用研究進展》的精讀，和對文獻《Two-dimensional material

2、s for nanophotonics》的淺翻譯。下載了幾篇與石墨烯相關的中文論文，進一步理解石墨烯的光學性質，并積累一些專業(yè)詞匯。,知識點總結,石墨烯的能帶結構石墨烯具有特殊的能帶結構，如圖所示，具有零帶隙（布里淵區(qū)k和k’導帶和價帶是簡并的），布里淵區(qū)中心點導帶價帶的π電子態(tài)具有20eV的能量差，費米能級位于狄拉克點處。如此特殊的性質使石墨烯具有其他半導體材料所沒有的的特殊光學性質。,石墨烯線性光學性質,二維石墨烯布里淵

3、區(qū) K 點處的能量與動量成線性關系，載流子的有效質量為 0，使其具有量子效應和室溫下的載流子近彈道傳輸以及很高的單層石墨烯吸光率。狄拉克電子的線性分布，賦予石墨烯對從可見到太赫茲寬波段每層吸收 2.3% 的光。狄拉克電子的超快動力學和泡利阻隔在錐形能帶結構中的存在，賦予石墨烯優(yōu)秀的非線性光學性質。石墨烯的反射率小于其光學透過率。多層石墨烯的光學吸收率與石墨烯的層數(shù)成正比。通過化學摻雜或電學調控的手段，可石墨烯的光學透過性可以

4、通過化學摻雜和電學調控改變。,石墨烯的非線性光學性質,原因：入射光所產生的電場與石墨烯內碳原子的外層電子發(fā)生共振時，石墨烯內電子云相對于原子核的位置發(fā)生偏移，并產生極化，由此導致了石墨烯的非線性光學性質。類型：飽和吸收、自聚焦、克爾效應、光學雙穩(wěn)態(tài)及孤波傳播等。特性：施加一垂直于石墨烯表面的直流電場，可以有效調控一階線性極化率的數(shù)值，從而改變石墨烯的折射率。石墨烯的光學非線性大多取決于其三階非線性極化率（單位體積內極化強

5、度與外加電場三次冪的比值），實際一般用面電流積分總和的n階導數(shù)來描述。,石墨烯的光吸收,光與石墨烯的相互作用從能帶躍遷的角度主要有兩種：帶間躍遷和帶內躍遷。遠紅外和太赫茲光譜區(qū)為帶內躍遷，近紅外及可見光光譜區(qū)主要是帶間躍遷；帶間躍遷下可以通過費米面來調節(jié)光吸收，調控方式通過化學摻雜和門電壓調節(jié)載流子濃度，也可以用強光泵浦法。石墨烯等離激元相對傳統(tǒng)金屬的三大優(yōu)點；更強的局域性、易于控制等離激元譜、更長的光學周期。化學摻雜，門電

6、壓調控方式可以控制帶間躍遷，采用合理的摻雜方式可以使可調控的光譜范圍達到可見光。,光與石墨烯相互作用增強方式,激發(fā)表面等離激元波（石墨烯鋪在金納米結構上）設置光學振蕩腔 （在石墨烯上下面安裝特定頻率的鏡面膜）硅波導石墨烯結構 （將石墨烯鋪到波導表面） 這三種方法缺點是都一定的犧牲了石墨烯帶寬的性質,硅波導增強方式,光學振蕩腔增強方式,石墨烯光子和光電子器件,優(yōu)點：具有獨特的能帶結構，可調的載流子濃度，超快的室溫下載流子

7、遷移率，能帶在K和k’點無帶隙，費米面可以通過門電壓、化學摻雜等方式調節(jié)。也具有能夠拉伸20%的柔性。應用：柔性電極觸摸屏、光伏器件、基于波導的光電器件、石墨烯非線性光學器件。,全內反射結構下石墨烯,特點：采用棱鏡全內反射結構，石墨烯與光相互作用具有偏振吸收和寬帶相干吸收增強的特點。光與石墨烯通過倏逝場相互作用，對于 TE 和 TM 偏振光石墨烯與光的相互作用程度不同，體現(xiàn)出具有偏振吸收的特點。應用：通過偏振吸收特性進行石墨烯層數(shù)

8、的測量；基于石墨烯偏振依賴性質進行的光存儲；基于全內反射下石墨烯的偏振吸收效應和結合微流體技術設計靈敏的折射率傳感器，靈敏度高、免標記、實時性好等優(yōu)點；PDMS 微流體通道-高溫氧化石墨烯-石英片三明治結構和棱鏡組成的石墨烯基基單細胞傳感器。,石墨烯層數(shù)測量,石墨烯棱鏡全內反射結構,二維材料的納米光子學,本文主要探索石墨烯，黒磷，過渡金屬二硫化物等二維材料的納米光子學特性和應用。石墨烯的具有在狄拉克點附近能帶的線性色散關系和零帶隙的結

9、構、支持局部等離激元和可控的費米能級、對寬光譜范圍內光信號的高靈敏度等優(yōu)點?？梢灾谱鞴怆娞綔y器，光調制器，但不適合做光源。hBN具有6eV的大帶隙，蜂窩狀晶格結構的層狀材料，表現(xiàn)出杰出的絕緣體性能。TMDCs具有1.5-2.5eV能量范圍，適合作為發(fā)光二極管和激光源。黒磷具有0.3eV的適中帶隙，而且可調的帶隙可以彌補石墨烯和TMDCs之間的帶隙空缺。在光探測器和光源產生應用中可以覆蓋廣泛的波長范圍。,光探測器,1.高速、寬帶寬的光

10、電探測器 ，用于通信、傳感、數(shù)字成像是必不可少的 ，大多數(shù)傳統(tǒng)的商業(yè)光電探測器都是基于硅或III-V半導體上。 2.當光子它們被吸收到光電二極管的耗盡區(qū)，激發(fā)電子空穴對和自身分離導致光電響應。(通常被稱為“光伏效應”）認為是基于石墨烯的光電探測器早期的操作原理 。由于單層石墨烯較低的光吸收限制了石墨烯光探測器的光響應度，所以提出了金屬-石墨烯-金屬（MGM）非對稱電極光探測器，實現(xiàn)6.1mAW的外部響應，同時具有超寬帶、高速和與電路的

11、兼容性的性質，但是光響應度還是很低。所以提出了下面幾種方案。石墨烯與等離子體納米結構相結合 使光集中用于等離子體共振，從而使局部電場得到顯著增強。在量子效率方面得到巨大提高。但也會導致可操作寬帶的范圍減少。,整合量子點和石墨烯 用膠體量子點覆蓋石墨烯可以獲得具有能夠獲得具有 電子/光子的的超高光電探測和 的光響應的光電探測器。但由于需要長時間產生增益，它們的運算速度也很低。石墨烯與微腔結合 可以在給定

12、的波長上實現(xiàn)了20倍的光電流增強?？涨徽T導的光學約束可以增強光反應度，但也縮小其使用的帶寬范圍。將石墨烯耦合到各種波導中 這種光電探測器具有出色的性能。具有很高的光響應度,超寬的帶寬(從可見光到紅外波段),效率高、高速、和局域性。,光調制器,介紹：調制器在光通信中起著至關重要的作用。以石墨烯為基礎的光學調制器，具有強的石墨烯光相互作用、超高速運算速度、大帶寬和對硅電子工業(yè)的高度兼容性。盡管石墨烯的光吸收系數(shù)大，但單層石墨烯的

13、超薄性質大大限制了其吸收。所以有必要加強石墨烯-光子的相互作用，特別是波導或光學腔。方法：1 單層石墨烯平鋪到波導上，中間夾了7nm的 ，在石墨烯和波導之間施加一個驅動電壓來調節(jié)費米能級。 2 用單層的石墨烯取代摻雜的硅層，形成雙層石墨烯光調制器。 3 耦合二維材料到光學腔提供了另一種方法，在覆蓋硅光子晶體納米腔的 上，通過電子控制石墨烯堆集合成了高對比度、高能量效率和寬帶的光電調制器

14、。 4 全光調制器，由超細纖維包裹單層石墨烯，具有消除“電子瓶頸”能力。,石墨烯等離激元學,由于石墨烯同時具有高的載流子遷移率和高導電性，它也成為了一種極具前景的太赫茲到中紅外等離子體器件應用的候選材料。等離子體具有高局域場強度，廣泛用于包括光學天線，近場光學顯微鏡，化學和生物傳感器和亞波長光學器件等。和傳統(tǒng)等離子材料相比具有以下優(yōu)點：可以通過化學摻雜和門電壓調控。具有更強的局域性低損耗和長壽命結晶度,過渡金屬二硫化

15、物光子學,1.過渡金屬二硫化物(TMDCs)是化學公式為MX2的材料，M代表Mo、W、Nb、Re這一類元素，X是硫元素。2.TMDCs的層間相互作用是弱范德華力，而平面成鍵是強共價鍵。因此TMDCs可以被剝離到類似石墨烯的薄膜結構，顯著地擴展了二維材料的材料庫。一些二維的TMDCs，如鉬和鎢的硫化物，在多層的形式中有間接帶隙，而在它們的單層形式中成為直接帶隙半導體。他們相當大的和可調帶隙，不僅僅能產生強的光致發(fā)光，也能打開像光電探測器

16、，能量收集器，電致發(fā)光等光電器件的大門。而且不同于石墨烯基器件，他具有可操作的光譜范圍。另外，在一些二維的TMDCs中已經證明了的奇異光學性質，如谷相干和谷選擇性的圓二色性，使這些材料非常有希望發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象。,基于二維TMDCs 的光電探測器,與基于石墨烯的光探測器相比，基于二維TMDCs 的光電探測器具有更高的光響應度，洛佩斯-桑切斯等人已經通過多種二維過渡金屬二硫化物制造出高靈敏度的光電探測器，如 ， ， 等等

17、。大多數(shù)探測器都是在可見光譜中運行的，因為它們的帶隙約為1.5 - 2.5 eV。在可見的范圍內，這些光電探測器比原始的基于石墨的光電探測器具有更好的性能。,基于二維TMDCs的發(fā)光二極管,發(fā)光二極管(LED)廣泛用于顯示、照明和傳感。單層的TMDCs(如WSe2)是直接帶隙的半導體，電子和空穴可以很容易地在輻射過程中相互結合，產生光子。在接觸區(qū)域處和發(fā)生在高p摻雜的硅基板上的電致發(fā)光也能在單層MoS2場效應晶體管中得到。然而，基于M

18、0S2發(fā)光二極管的光電效率相對較低，并且隨載流子注入而顯著下降。獲得空穴傳導的難度，無效的接觸以及單層MoS2的有限的光學性能阻礙了MoS2發(fā)光二極管的潛在應用。,黑磷的光電子學應用,1.黑磷(BP)是一種新興的二維材料，具有褶皺正交晶格（如圖）。它的各向異性平面晶格結構降低了空間對稱性，導致高度的各向異性電子和光電特性。塊狀黒磷有一個0.3ev的適度帶隙，并且隨著層數(shù)的減少而單調增加，甚至能夠達到單層2eV。因此，對于光電子應用，黑磷

19、可以覆蓋很寬的光譜，從可見到中紅外。黑磷可調溫和的直接帶隙橋接起零帶隙的石墨烯和相對寬帶隙對的TMDCs，使黑磷成為未來電子和光電子應用的一種有前景的材料。2.層狀黑磷的能帶結構明顯受強多電子效應的影響，同時層狀黑磷的能帶結構具有可調性。這使他成為能夠應用到更寬的波段設備。3.黑磷晶體管的光敏反應和黑磷光電探測器在可見光和紅外區(qū)域可記錄超高分辨率圖像。除了黑磷的光電效應，還有線性二色性，空穴遷移率，等獨特性質。,4.黑磷的研究和應用

20、仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，單層黑磷在空氣中快速降級，氧化和水吸收。因此，開發(fā)清潔高效的保護措施是必要的。此外，目前生產的薄層BP依賴于機械去角質方法，這種方法產量低。因此，我們需要發(fā)展出大面積的合成方法來生產晶圓片的薄層黒磷。展望未來首先要進一步了解激光，光學非線性，光反應機制，并需要處理弱吸收和二維材料的短光相互作用長度的問題。另一個挑戰(zhàn)是將可調石墨烯光學反應的操作窗口從紅外線擴展到電磁波譜區(qū)域，在那里可以找到更大范圍的應用，