太赫兹波段石墨烯可调电导特性与应用研究

【摘要】作为正在迅速发展的技术领域之一,太赫兹(THz)技术目前在时域光谱、生物成像、高灵敏传感、高速通信等领域展现出了良好的应用前景。然而,该领域的进步正面临着高性能器件、材料匮乏的现状。能够有效调控太赫兹波的材料亟待研发。最近,越来越多的研究证明,有着优异光电性能的石墨烯材料具备调控太赫兹波的应用潜力。些基于石墨烯的太赫兹器件,例如电光、磁光、全光调制器,以及与等离子、堆叠多层、超材料结合的器件,已经迅速进入人们的视野并展示出优于传统材料的诸多特性。本文对石墨烯在太赫兹波段的电导特性与调控太赫兹波的应用进行了一系列研究。主要包括对堆叠多层石墨烯太赫兹电导的研究,使用石墨烯制作宽波段太赫兹减反射膜的研究,氧化石墨烯膜的宽波段太赫兹响应与应用的研究,栅压调控的石墨烯减反射膜与衰减片的设计,栅压调控下石墨烯的磁光等离子体及其应用的研究,以及石墨烯在磁场中可调磁光Kerr效应的研究。具体如下：(1)为了拓展单层石墨烯在太赫兹波段有限的调谐范围,采用太赫兹时域光谱为技术手段,研究了石英衬底上不同层数随机堆叠的多层石墨烯的太赫兹电导。实验结果与理论计算共同证明：在太赫兹波响应方面,随机堆叠的多层石墨烯可以看做无电子耦合的多个单层石墨烯,因此具有更宽的电导调谐范围,拓宽了单层石墨烯的阈值。(2)利用多层石墨烯拓展的太赫兹电导,实验结合理论研究了石墨烯作为宽波段太赫兹减反射膜的应用潜力。太赫兹时域光谱结果表明,硅和石英两种基底引起的内部反射随着石墨烯层数与化学掺杂程度的改变而变化。本文在实验上观测到了石墨烯明显的阻抗匹配现象,并在理论上利用Drude模型与Fresnel理论进行了解释。(3)利用溶液途径制备了氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO)膜材料。太赫兹时域光谱结果表明,后者具有宽波段可调的太赫兹响应。通过调节rGO膜的厚度和还原程度,本文还在应用方面得到了显著的宽波段太赫兹减反射效果。(4)提出了基于栅压调控的石墨烯太赫兹减反射膜与衰减片。这种器件包括至少两层互加栅压(self-gated)的石墨烯,以及将石墨烯层完全分隔的介质层。通过加栅压和更改器件层数结构,石墨烯太赫兹电调器件展现出优异的调控能力。(5)利用栅压调控下的可调磁光等离子体,提出了基于石墨烯的太赫兹波调制器与隔离器。基于石墨烯中载流子在磁场中的带内跃迁特性,单层石墨烯在电压调控下展现出很大的调制深度与Faraday磁致旋角。并且这种强度与偏振的调控是宽波段的。(6)研究了石墨烯栅压调控下的磁光Kerr效应及其在太赫兹波段的应用。在量子体系下证明基底干涉效应引起的相位变化会导致光谱中电导信息发生变化,特别是载流子带间跃迁对应的光谱会发生形变。在经典体系下证明石墨烯的磁光等离子体与电、磁调制的共同作用可用于宽波段反射太赫兹波的调控。
【作者】周译玄；
【导师】任兆玉；
【作者基本信息】西北大学，光学，2014，博士
【关键词】石墨烯；太赫兹电导；时域光谱；调制；减反射；

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