石墨烯在光电领域的研究与应用

1 探究石墨烯的电子性质与效应 通过各种书籍的查阅,石墨烯独特的电子性质主要体现在以下四点:第一,石墨烯电子不容易遭受损耗,虽然六角形晶格传输过程中会对石墨烯造成影响,但是对其电子的有效质量不会造成任何破坏;第二,石墨烯电子在一定程度上可以被

1 探究石墨烯的电子性质与效应
       通过各种书籍的查阅,石墨烯独特的电子性质主要体现在以下四点:第一,石墨烯电子不容易遭受损耗,虽然六角形晶格传输过程中会对石墨烯造成影响,但是对其电子的有效质量不会造成任何破坏;第二,石墨烯电子在一定程度上可以被理解为超导体等物质,因为其只能在单原子层厚内传输;第三,当石墨烯电子覆盖在原子级粗糙程度的吸收层衬底上时,即使传输的距离非常非常之小,石墨烯电子也不会发生任何散射,特别稳定;第四,石墨烯很坚固,且可在室温下工作。同时,石墨烯具有特殊的效应。其中,双极性电场效应较为明显,石墨烯的电荷载流子浓度n在空穴和电子之间连续变化,最高可达1013 cm-2。石墨烯属金属性,没有带隙,可以通过以双层和多层石墨烯为衬底的非对称性效应来破坏其对称性,从而获得石墨烯带隙,使石墨烯场效应管变成有带隙的半导体器件。S.Sato[7]等人通过研究,发现双层石墨烯带隙正比于垂直电场的强度(图4),但是垂直电场对1,3,4层石墨烯的影响很小。因此如果将横向电场加在双层石墨烯膜的表面,就可以破坏其原子层结构的对称性,使双层石墨烯膜有带隙产生[9]
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图4 单层或多层石墨烯的带隙与垂直电场强度的关系曲线[9]
 
2 石墨烯的光学特性
       我们可通过菲涅尔公式推出悬浮单层石墨烯的T(光透过率)≈97.7%,在可见光波段,石墨烯仅将小于入射光0.1%的部分反射出去,由此可见,单层石墨烯可吸收约2.3%的垂直入射光,并且吸收光的波长范围包括了可见和红外光波段,在300-2500 nm 波段吸收光谱平坦。由于带间杂化产生了van Hove 奇点,或是多体效应的影响,双层石墨烯的吸收峰在约270 nm 处(紫外区)。在光学上,少数层石墨烯的邻近层之间的二维电子气扰动极小,可以等效为相互之间几乎没有作用的单层石墨烯的叠加。图5为单层和双层石墨烯的光吸收现象。从下图我们可以看到,当外界条件不变时,我们施加足够强的光照,电子会发生跃迁,并且跃迁的速率比带间弛豫速率大,同时,电子吸收了能量之后所对应的激发态以下的能态都会被填满,价带顶也会变满,这一过程就是学术中所说的饱和过程。
 
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图5 不同层数石墨烯的透射光谱[10]
 
        2013年,云南师范大学研究小组利用光电相互作用的二阶微扰理论计算单双层石墨烯的单双光子吸收系数。由图5左可以看出,单层石墨烯单光子吸收系数约为6.8×107 m-1 ,是常数,与入射波长无关,而双层石墨烯单光子吸收系数比单层石墨烯单光子吸收系数强,且随着波长的不同呈现分段性变化。由图6右可以看出,单层石墨烯双光子吸收系数正比于λ4,在可见光波段的量级为10-9 m/W;双层石墨烯双光子系数则有一个很强的共振吸收峰,位于红外波段(约3100nm处),比单层石墨烯高两个量级,为10-4m/W。
 

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图6 单层和双层石墨烯的单光子吸收谱(左);单层和双层石墨烯的双光子吸收谱(右)[11]

 
3 基于石墨烯的光电探测器、光调制器和激光器
       石墨烯因其独特的光学吸收特性,低电阻率,高度透明等特性逐渐被应用到光电器件上,主要有光电探测器,光调制器,激光器等。石墨烯光电探测器简称GPD,GPD易于硅基集成,因为石墨烯的带隙为零,频率探测范围很宽,所以GPD不像传统探测器那样受“长波限制”,并且由于GPD在室温下的载流子迁移率要比普通的半导体材料高一个量级,其带宽也不再因此受限,具有高速特性,但GPD的探测率与传统的三五组探测器相比还是很小,主要是由于其零源陋电压下光电流为零,这是由对称电极导致的,还有GPD的光吸收效率低和帮助光生载流子提取的区域很小这两个原因,因此对GPD的研究尚不成熟,仍需进一步探索。光调制器是通过电场或电压的变化来调制输出光的振幅、相位、折射率或吸收率的器件,它可以依据不同形式的磁光、声光、电光效应、载流子色散效应和量子阱效应等,对光发射机发出光信号的振幅和状态进行调控后再进入光纤中进行传播,在光纤通信领域的应用极为重要,未来的光通信必然需要小型化,高速化,集成化的光调制器,而目前的硅基电吸收调制器电光特性较弱,尺寸较大,锗以及其他的化合物半导体调制器不易于硅基集成,且它们调制的光谱范围通常较窄,因此石墨烯在光调制器上可充分发挥其吸收光的频率范围宽和高迁移率等优势,是未来光调制器的研究特点。超短脉冲激光器可通过调Q和锁模两种方式实现,调Q方法具有脉冲能量高的特点,可输出微秒级和纳秒级脉冲宽度的脉冲;锁模技术的峰值功率更高,产生的脉冲宽度一般为皮秒和飞秒级。这两种方法都有主动和被动两种方式,比较之下,被动方式更易实现,且更加方便高效,因为它不需要外加电场或光场来调制,只要在激光腔内插入一个非线性光学元器件,即可饱和吸收体即可,石墨烯由于其超快的电子弛豫时间,高热损伤阈值,超宽的光谱工作范围等特点有望成为热门的新型可饱和吸收体材料。
4 含石墨烯的临界耦合谐振器的研究
       虽然石墨烯有良好的光吸收特性,一些专家为了改变因单层石墨烯吸收弱导致的效率低的特点,提出了一些他们自己的看法。 如Thongrattanasiri等用掺杂的方法使石墨烯的光吸收率几乎达到100%; Ferreira等改变了石墨烯原有的结构,使其变成了皱褶结构,将其置于Fabry-Perot腔中央,在这种条件下石墨烯的吸收率达到了100%; Nikitin等用石墨烯周期逆点阵列,增强了其在太赫兹和微波波段的吸收特性 ; Nefedov等在石墨烯非对称多层薄膜的结构中得到了100%的吸收率。为了实现在近红外频段的临界耦合 ,我们以石墨烯多层薄膜结构作为基础 ,这一做法也同样能够具有极高的吸收效率。当控制某一些条件时就会影响临界耦合系统的灵活性,如当控制它的吸收材料,它的灵活性就会出现偏差。综上所述对于临界耦合来说可调谐性非常重要。临界耦合现象由多层薄膜结构有效介电常数决定,当调节费米能级的时候,多层薄膜结构有效介电常数谐振峰会随之改变,相应地,吸收系数谐振峰也会发生偏移。不同的费米能级条件下,临界耦合谐振器会有两个吸收效果相差较大的吸收谐振峰,可以通过优化多层薄膜结构厚度使同一费米能级上的两个吸收谐振峰值几乎相等,上述实验说明临界耦合作用谐振器在任何一个谐振频率点上都可以实现。
       除了费米能级外,石墨烯层数、弛豫时间、介质厚度以及入射角度都会影响临界耦合谐振器的吸收谐振峰位置,可以通过调节这些结构参数使临界耦合谐振器在费米能级不同的条件下出现两个完美的吸收谐振峰。这为光电子器件的应用和近红外波段的光通信都提供了理论依据。
       除了费米能级外,石墨烯层数、弛豫时间、介质厚度以及入射角度都会影响临界耦合谐振器的吸收谐振峰位置,可以通过调节这些结构参数使临界耦合谐振器在费米能级不同的条件下出现两个完美的吸收谐振峰。这为光电子器件的应用和近红外波段的光通信都提供了理论依据。
 5 选题的目的和意义
       本文的目的是基于临界耦合效应,设计一种全吸收石墨烯谐振器,使其可以吸收几乎所有的入射电磁波而不产生散射,在可见近红外波段实现和控制耦合现象。由碳原子紧密堆积而成的二维晶体石墨烯作为光学探测器和光电器件中必不可少的好元件,必须在近红外波段何光波段都具有良好的吸收特性。

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