石墨烯等幾種典型光電子材料-結(jié)構(gòu)的光電調(diào)控機(jī)理的研究.pdf

1、高效、高速和高集成是未來(lái)光子學(xué)器件的發(fā)展趨勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，人們做了大量的研究并由此衍生了許多新興學(xué)科，例如硅基光子學(xué)和表面等離子激元學(xué)。然而，硅材料和金屬材料自身固有的缺陷限制了光子學(xué)器件某些性能的提升，例如集成光源和集成光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)仍需進(jìn)一步的研究。新型光電材料的出現(xiàn)強(qiáng)烈沖擊著現(xiàn)有的光子學(xué)器件的研究，其中包括稀土離子、量子點(diǎn)、石墨烯和超材料等等。它們具有低損耗、易于集成和人為可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于光子學(xué)器件的設(shè)計(jì)，所以近年

2、來(lái)逐漸成為國(guó)際上該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。特別是石墨烯材料特殊的光與物質(zhì)相互作用為基于新型光電材料的光源輻射調(diào)控提供了嶄新且富有潛力的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本論文研究了以石墨烯為首的幾種新型光電材料并設(shè)計(jì)了基于這些材料的光電調(diào)控器件，事實(shí)證明新器件突破了傳統(tǒng)光子學(xué)存在的瓶頸，非常有希望應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換、光通信和光計(jì)算等諸多領(lǐng)域。
　　本論文完成的過(guò)程中受到了教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目培育基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。具體的研究?jī)?nèi)容如下：
　　1．

3、基于量子剪裁的太陽(yáng)光譜變換研究
　　論文利用粒子光致發(fā)光過(guò)程中普遍存在的量子剪裁效應(yīng)將太陽(yáng)光譜中的紫外光和藍(lán)紫光變成更利于單晶硅太陽(yáng)能電池吸收的近紅外光，從而提升太陽(yáng)能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率。
　　1） Yb2+-Yb3+共摻系統(tǒng)通過(guò)Yb2+離子和Yb3+離子之間的能量轉(zhuǎn)移，將太陽(yáng)光譜中310 nm附近的能量變換到980 nm附近，更利于單晶硅太陽(yáng)能電池的吸收。數(shù)值結(jié)果表明，添加Yb2+-Yb3+共摻光譜變換層可使太陽(yáng)能電池的光

4、伏轉(zhuǎn)換效率提升3%。
　　2）硅量子點(diǎn)摻雜玻璃利用量子點(diǎn)中的多激子產(chǎn)生效應(yīng)，將太陽(yáng)光譜中的高能光子切割成適合單晶硅太陽(yáng)能電池吸收的低能光子。計(jì)算結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化量子點(diǎn)半徑最高可使太陽(yáng)能電池的細(xì)致平衡效率提升6%。
　　2．基于石墨烯微納結(jié)構(gòu)的自發(fā)輻射增強(qiáng)效應(yīng)研究
　　論文利用石墨烯表面等離子激元的光場(chǎng)增強(qiáng)特性和超高空間態(tài)密度，設(shè)計(jì)了兩種微納結(jié)構(gòu)有效增強(qiáng)了光與物質(zhì)之間的相互作用，使置于其中的量子光源的自發(fā)輻射速率得到大

5、幅提升。
　　1）雙層石墨烯波導(dǎo)利用外加電壓形成中央導(dǎo)波區(qū)域，置于其中的電偶極子能量會(huì)以石墨烯表面等離子激元的形式定向傳播。其珀塞爾因子最大可達(dá)2.127×106，而且激勵(lì)起的主要是“對(duì)稱單極模式”。
　　2）石墨烯-玻璃薄膜-石墨烯混合結(jié)構(gòu)采用經(jīng)過(guò)化學(xué)摻雜的石墨烯層來(lái)束縛電偶極子光場(chǎng)，其珀塞爾因子最高可達(dá)1.286×106。相比于雙層石墨烯波導(dǎo)，其優(yōu)勢(shì)在于不需外加靜態(tài)電壓，因而制備起來(lái)更為簡(jiǎn)單。
　　3．基于石墨烯的

6、單光子開(kāi)關(guān)和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換波導(dǎo)研究
　　由于石墨烯具有超高的電子遷移率和三階非線性系數(shù)，所以非常適合用來(lái)設(shè)計(jì)高速光開(kāi)關(guān)和集成光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換波導(dǎo)。
　　1）設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯的可通過(guò)外加電壓控制的單光子開(kāi)關(guān)，其調(diào)制速率理論上可達(dá)幾十GHz。數(shù)值計(jì)算表明，開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的消光比最高可達(dá)20.8 dB，且在中心波長(zhǎng)附近消光比的3 dB帶寬可達(dá)600 GHz。
　　2）設(shè)計(jì)了一種石墨烯-氮化硅-硅光子晶體混合波導(dǎo)，通過(guò)選取合適的光子晶體波

7、導(dǎo)模式和添加氮化硅緩沖層可將光場(chǎng)能量集中在石墨烯層上。研究結(jié)果表明，其中的四波混頻效率比不加石墨烯的同類結(jié)構(gòu)提升了19.66 dB。
　　4．基于量子真空調(diào)控的反常量子干涉效應(yīng)研究
　　通過(guò)調(diào)控各向異性量子真空和各向異性量子光源，我們可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交躍遷之間的反常量子干涉效應(yīng)。
　　1）設(shè)計(jì)了一種置于雙曲超材料附近的各向異性量子點(diǎn)系統(tǒng)。雙曲超材料附近的量子真空具有很強(qiáng)的各向異性，配合上量子點(diǎn)自身的各向異性，我們可實(shí)現(xiàn)干