石墨烯光學(xué)性質(zhì)以及二維材料的納米光子學(xué)性質(zhì)淺析

1、姓名： 導(dǎo)師： 日期：2017.6.30,石墨烯光學(xué)性質(zhì)以及二維材料的納米光子學(xué),,總體規(guī)劃,首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜集有關(guān)石墨烯的材料，對(duì)石墨烯做了初步的了解。然后完成對(duì)文獻(xiàn)《石墨烯的光學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用研究進(jìn)展》的精讀，和對(duì)文獻(xiàn)《Two-dimensional material

2、s for nanophotonics》的淺翻譯。下載了幾篇與石墨烯相關(guān)的中文論文，進(jìn)一步理解石墨烯的光學(xué)性質(zhì)，并積累一些專(zhuān)業(yè)詞匯。,知識(shí)點(diǎn)總結(jié),石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)石墨烯具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)，如圖所示，具有零帶隙（布里淵區(qū)k和k’導(dǎo)帶和價(jià)帶是簡(jiǎn)并的），布里淵區(qū)中心點(diǎn)導(dǎo)帶價(jià)帶的π電子態(tài)具有20eV的能量差，費(fèi)米能級(jí)位于狄拉克點(diǎn)處。如此特殊的性質(zhì)使石墨烯具有其他半導(dǎo)體材料所沒(méi)有的的特殊光學(xué)性質(zhì)。,石墨烯線性光學(xué)性質(zhì),二維石墨烯布里淵

3、區(qū) K 點(diǎn)處的能量與動(dòng)量成線性關(guān)系，載流子的有效質(zhì)量為 0，使其具有量子效應(yīng)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(duì)從可見(jiàn)到太赫茲寬波段每層吸收 2.3% 的光。狄拉克電子的超快動(dòng)力學(xué)和泡利阻隔在錐形能帶結(jié)構(gòu)中的存在，賦予石墨烯優(yōu)秀的非線性光學(xué)性質(zhì)。石墨烯的反射率小于其光學(xué)透過(guò)率。多層石墨烯的光學(xué)吸收率與石墨烯的層數(shù)成正比。通過(guò)化學(xué)摻雜或電學(xué)調(diào)控的手段，可石墨烯的光學(xué)透過(guò)性可以

4、通過(guò)化學(xué)摻雜和電學(xué)調(diào)控改變。,石墨烯的非線性光學(xué)性質(zhì),原因：入射光所產(chǎn)生的電場(chǎng)與石墨烯內(nèi)碳原子的外層電子發(fā)生共振時(shí)，石墨烯內(nèi)電子云相對(duì)于原子核的位置發(fā)生偏移，并產(chǎn)生極化，由此導(dǎo)致了石墨烯的非線性光學(xué)性質(zhì)。類(lèi)型：飽和吸收、自聚焦、克爾效應(yīng)、光學(xué)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(chǎng)，可以有效調(diào)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(xué)非線性大多取決于其三階非線性極化率（單位體積內(nèi)極化強(qiáng)

5、度與外加電場(chǎng)三次冪的比值），實(shí)際一般用面電流積分總和的n階導(dǎo)數(shù)來(lái)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(nèi)躍遷。遠(yuǎn)紅外和太赫茲光譜區(qū)為帶內(nèi)躍遷，近紅外及可見(jiàn)光光譜區(qū)主要是帶間躍遷；帶間躍遷下可以通過(guò)費(fèi)米面來(lái)調(diào)節(jié)光吸收，調(diào)控方式通過(guò)化學(xué)摻雜和門(mén)電壓調(diào)節(jié)載流子濃度，也可以用強(qiáng)光泵浦法。石墨烯等離激元相對(duì)傳統(tǒng)金屬的三大優(yōu)點(diǎn)；更強(qiáng)的局域性、易于控制等離激元譜、更長(zhǎng)的光學(xué)周期?；瘜W(xué)摻雜，門(mén)電

6、壓調(diào)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(diào)控的光譜范圍達(dá)到可見(jiàn)光。,光與石墨烯相互作用增強(qiáng)方式,激發(fā)表面等離激元波（石墨烯鋪在金納米結(jié)構(gòu)上）設(shè)置光學(xué)振蕩腔 （在石墨烯上下面安裝特定頻率的鏡面膜）硅波導(dǎo)石墨烯結(jié)構(gòu) （將石墨烯鋪到波導(dǎo)表面） 這三種方法缺點(diǎn)是都一定的犧牲了石墨烯帶寬的性質(zhì),硅波導(dǎo)增強(qiáng)方式,光學(xué)振蕩腔增強(qiáng)方式,石墨烯光子和光電子器件,優(yōu)點(diǎn)：具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，可調(diào)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(diǎn)無(wú)帶隙，費(fèi)米面可以通過(guò)門(mén)電壓、化學(xué)摻雜等方式調(diào)節(jié)。也具有能夠拉伸20%的柔性。應(yīng)用：柔性電極觸摸屏、光伏器件、基于波導(dǎo)的光電器件、石墨烯非線性光學(xué)器件。,全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)下石墨烯,特點(diǎn)：采用棱鏡全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)，石墨烯與光相互作用具有偏振吸收和寬帶相干吸收增強(qiáng)的特點(diǎn)。光與石墨烯通過(guò)倏逝場(chǎng)相互作用，對(duì)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(diǎn)。應(yīng)用：通過(guò)偏振吸收特性進(jìn)行石墨烯層數(shù)

8、的測(cè)量；基于石墨烯偏振依賴(lài)性質(zhì)進(jìn)行的光存儲(chǔ)；基于全內(nèi)反射下石墨烯的偏振吸收效應(yīng)和結(jié)合微流體技術(shù)設(shè)計(jì)靈敏的折射率傳感器，靈敏度高、免標(biāo)記、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)；PDMS 微流體通道-高溫氧化石墨烯-石英片三明治結(jié)構(gòu)和棱鏡組成的石墨烯基基單細(xì)胞傳感器。,石墨烯層數(shù)測(cè)量,石墨烯棱鏡全內(nèi)反射結(jié)構(gòu),二維材料的納米光子學(xué),本文主要探索石墨烯，黒磷，過(guò)渡金屬二硫化物等二維材料的納米光子學(xué)特性和應(yīng)用。石墨烯的具有在狄拉克點(diǎn)附近能帶的線性色散關(guān)系和零帶隙的結(jié)

9、構(gòu)、支持局部等離激元和可控的費(fèi)米能級(jí)、對(duì)寬光譜范圍內(nèi)光信號(hào)的高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)?？梢灾谱鞴怆娞綔y(cè)器，光調(diào)制器，但不適合做光源。hBN具有6eV的大帶隙，蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)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(diào)的帶隙可以彌補(bǔ)石墨烯和TMDCs之間的帶隙空缺。在光探測(cè)器和光源產(chǎn)生應(yīng)用中可以覆蓋廣泛的波長(zhǎng)范圍。,光探測(cè)器,1.高速、寬帶寬的光

10、電探測(cè)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(cè)器都是基于硅或III-V半導(dǎo)體上。 2.當(dāng)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(duì)和自身分離導(dǎo)致光電響應(yīng)。(通常被稱(chēng)為“光伏效應(yīng)”）認(rèn)為是基于石墨烯的光電探測(cè)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(cè)器的光響應(yīng)度，所以提出了金屬-石墨烯-金屬（MGM）非對(duì)稱(chēng)電極光探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)6.1mAW的外部響應(yīng)，同時(shí)具有超寬帶、高速和與電路的

11、兼容性的性質(zhì)，但是光響應(yīng)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(jié)構(gòu)相結(jié)合 使光集中用于等離子體共振，從而使局部電場(chǎng)得到顯著增強(qiáng)。在量子效率方面得到巨大提高。但也會(huì)導(dǎo)致可操作寬帶的范圍減少。,整合量子點(diǎn)和石墨烯 用膠體量子點(diǎn)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(cè)和 的光響應(yīng)的光電探測(cè)器。但由于需要長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生增益，它們的運(yùn)算速度也很低。石墨烯與微腔結(jié)合 可以在給定

12、的波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)了20倍的光電流增強(qiáng)。空腔誘導(dǎo)的光學(xué)約束可以增強(qiáng)光反應(yīng)度，但也縮小其使用的帶寬范圍。將石墨烯耦合到各種波導(dǎo)中 這種光電探測(cè)器具有出色的性能。具有很高的光響應(yīng)度,超寬的帶寬(從可見(jiàn)光到紅外波段),效率高、高速、和局域性。,光調(diào)制器,介紹：調(diào)制器在光通信中起著至關(guān)重要的作用。以石墨烯為基礎(chǔ)的光學(xué)調(diào)制器，具有強(qiáng)的石墨烯光相互作用、超高速運(yùn)算速度、大帶寬和對(duì)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(zhì)大大限制了其吸收。所以有必要加強(qiáng)石墨烯-光子的相互作用，特別是波導(dǎo)或光學(xué)腔。方法：1 單層石墨烯平鋪到波導(dǎo)上，中間夾了7nm的 ，在石墨烯和波導(dǎo)之間施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)。 2 用單層的石墨烯取代摻雜的硅層，形成雙層石墨烯光調(diào)制器。 3 耦合二維材料到光學(xué)腔提供了另一種方法，在覆蓋硅光子晶體納米腔的 上，通過(guò)電子控制石墨烯堆集合成了高對(duì)比度、高能量效率和寬帶的光電調(diào)制器

14、。 4 全光調(diào)制器，由超細(xì)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(xué),由于石墨烯同時(shí)具有高的載流子遷移率和高導(dǎo)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(yīng)用的候選材料。等離子體具有高局域場(chǎng)強(qiáng)度，廣泛用于包括光學(xué)天線，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，化學(xué)和生物傳感器和亞波長(zhǎng)光學(xué)器件等。和傳統(tǒng)等離子材料相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以通過(guò)化學(xué)摻雜和門(mén)電壓調(diào)控。具有更強(qiáng)的局域性低損耗和長(zhǎng)壽命結(jié)晶度,過(guò)渡金屬二硫化

15、物光子學(xué),1.過(guò)渡金屬二硫化物(TMDCs)是化學(xué)公式為MX2的材料，M代表Mo、W、Nb、Re這一類(lèi)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(qiáng)共價(jià)鍵。因此TMDCs可以被剝離到類(lèi)似石墨烯的薄膜結(jié)構(gòu)，顯著地?cái)U(kuò)展了二維材料的材料庫(kù)。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(dǎo)體。他們相當(dāng)大的和可調(diào)帶隙，不僅僅能產(chǎn)生強(qiáng)的光致發(fā)光，也能打開(kāi)像光電探測(cè)器

16、，能量收集器，電致發(fā)光等光電器件的大門(mén)。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(jīng)證明了的奇異光學(xué)性質(zhì)，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(cè)器,與基于石墨烯的光探測(cè)器相比，基于二維TMDCs 的光電探測(cè)器具有更高的光響應(yīng)度，洛佩斯-桑切斯等人已經(jīng)通過(guò)多種二維過(guò)渡金屬二硫化物制造出高靈敏度的光電探測(cè)器，如 ， ， 等等

17、。大多數(shù)探測(cè)器都是在可見(jiàn)光譜中運(yùn)行的，因?yàn)樗鼈兊膸都s為1.5 - 2.5 eV。在可見(jiàn)的范圍內(nèi)，這些光電探測(cè)器比原始的基于石墨的光電探測(cè)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(dǎo)體，電子和空穴可以很容易地在輻射過(guò)程中相互結(jié)合，產(chǎn)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(chǎng)效應(yīng)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(duì)較低，并且隨載流子注入而顯著下降。獲得空穴傳導(dǎo)的難度，無(wú)效的接觸以及單層MoS2的有限的光學(xué)性能阻礙了MoS2發(fā)光二極管的潛在應(yīng)用。,黑磷的光電子學(xué)應(yīng)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(jié)構(gòu)降低了空間對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致高度的各向異性電子和光電特性。塊狀黒磷有一個(gè)0.3ev的適度帶隙，并且隨著層數(shù)的減少而單調(diào)增加，甚至能夠達(dá)到單層2eV。因此，對(duì)于光電子應(yīng)用，黑磷

19、可以覆蓋很寬的光譜，從可見(jiàn)到中紅外。黑磷可調(diào)溫和的直接帶隙橋接起零帶隙的石墨烯和相對(duì)寬帶隙對(duì)的TMDCs，使黑磷成為未來(lái)電子和光電子應(yīng)用的一種有前景的材料。2.層狀黑磷的能帶結(jié)構(gòu)明顯受強(qiáng)多電子效應(yīng)的影響，同時(shí)層狀黑磷的能帶結(jié)構(gòu)具有可調(diào)性。這使他成為能夠應(yīng)用到更寬的波段設(shè)備。3.黑磷晶體管的光敏反應(yīng)和黑磷光電探測(cè)器在可見(jiàn)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(yīng)，還有線性二色性，空穴遷移率，等獨(dú)特性質(zhì)。,4.黑磷的研究和應(yīng)用

20、仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，單層黑磷在空氣中快速降級(jí)，氧化和水吸收。因此，開(kāi)發(fā)清潔高效的保護(hù)措施是必要的。此外，目前生產(chǎn)的薄層BP依賴(lài)于機(jī)械去角質(zhì)方法，這種方法產(chǎn)量低。因此，我們需要發(fā)展出大面積的合成方法來(lái)生產(chǎn)晶圓片的薄層黒磷。展望未來(lái)首先要進(jìn)一步了解激光，光學(xué)非線性，光反應(yīng)機(jī)制，并需要處理弱吸收和二維材料的短光相互作用長(zhǎng)度的問(wèn)題。另一個(gè)挑戰(zhàn)是將可調(diào)石墨烯光學(xué)反應(yīng)的操作窗口從紅外線擴(kuò)展到電磁波譜區(qū)域，在那里可以找到更大范圍的應(yīng)用，