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基于磁激元效应的石墨烯-金属纳米结构近红外吸收研究

陈浩 张晓霞 王鸿 姬月华

基于磁激元效应的石墨烯-金属纳米结构近红外吸收研究

陈浩, 张晓霞, 王鸿, 姬月华
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  • 石墨烯作为一种单层碳原子二维材料,在可见光和近红外波段吸收率只有2.3%左右,这限制了石墨烯在光电探测、光电调制等领域的应用.本文基于纳米超材料结构的磁激元共振效应,设计了一种金属-绝缘层-金属-石墨烯混合二维浅光栅结构,通过设计混合二维浅光栅结构尺寸来改变石墨烯化学势,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强和调制.利用有限元仿真和等效电路模型,系统地分析了非正入射、结构参数和石墨烯化学势对吸收特性的影响.研究结果表明,混合二维浅光栅结构的磁激元共振效应可以明显提升石墨烯在近红外波段的吸收率,并且对入射角度和极化方向不敏感.在特定结构参数下,混合二维浅光栅结构在1480 nm处吸收率达到了85%,其中石墨烯的吸收率为55%,提升了24倍;通过调控石墨烯化学势从0.1 eV增大到1.0 eV,分别实现了不同结构尺寸下54.8%,50.3%,46.8%的反射率调制深度.
      通信作者: 张晓霞, xxzhang@uestc.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金重点项目(批准号:61435010)和国家自然科学基金创新研究群体科学基金(批准号:61421002)资助的课题.
    [1]

    Geim A K, Novoselov K S 2007 Nat. Mater. 6 183

    [2]

    Neto A H C, Guinea F, Peres N M R 2009 Rev. Mod. Phys. 81 109

    [3]

    Bonaccorso F, Sun Z, Hasan T, Ferrari A C 2010 Nat. Photon. 4 611

    [4]

    Bolotin K I, Sikes K J, Jiang Z, Klima M, Fudenberg G, Hone J 2008 Solid State Commun. 146 351

    [5]

    Xia F N, Mueller T, Lin Y M, Valdes-Garcia A, Avouris P 2009 Nature Nanotech. 4 839

    [6]

    Bao Q, Loh K P 2012 ACS Nano 6 3677

    [7]

    Nair R R, Blake P, Grigorenko A N, Novoselov K S, Booth T J, Stauber T, Peres N M R 2008 Science 320 1308

    [8]

    Hong B H 2009 Nature 457 706

    [9]

    Liu W Z, Wang W, Xu H Y, Li X H, Yang L, Ma J G, Liu Y C 2015 Appl. Phys. Lett. 8 095202

    [10]

    Horng J, Chen C F, Geng B S, Girit C, et al. 2012 Phys. Rev. B: Condens. Matter 83 165113

    [11]

    Li E P, Chu H S, Wu L, Koh W S 2010 Opt. Express 18 14395

    [12]

    Zhang H Y, Huang X Y, Chen Q, Ding C F, Li T T, L H H, Xu S L, Zhang X, Zhang Y P, Yao J Q 2016 Acta Phys. Sin. 65 018101(in Chinese) [张会云, 黄晓燕, 陈琦, 丁春峰, 李彤彤, 吕欢欢, 徐世林, 张晓, 张玉萍, 姚建铨 2016 物理学报 65 018101]

    [13]

    Alaee R, Farhat M, Rockstuhl C, Lederer F 2012 Opt. Express 20 28017

    [14]

    Ju L, Geng B, Horng J, Girit, Martin M 2011 Nature Nanotech. 6 630

    [15]

    Thongrattanasiri S, Koppens F H, Garcia de Abajo F J 2012 Phys. Rev. Lett. 108 047401

    [16]

    Gao W, Shi G, Jin Z, Shu J, Zhang Q 2013 Nano Lett. 13 3698

    [17]

    Marco F, Alexander U, Andreas P, Govinda L, Karl U, Hermann D, Pavel K, Asron M A, Werner S, Gottfried S, Thomas M 2012 Nano Lett. 12 2773

    [18]

    Liang Z J, Liu H X, Niu Y X, Yin Y H 2016 Acta Phys. Sin. 65 138501(in Chinese) [梁振江, 刘海霞, 牛燕雄, 尹贻恒 2016 物理学报 65 138501]

    [19]

    Maillard M, Huang P, Brus L 2003 Nano Lett. 3 1611

    [20]

    Zhao B, Wang L, Shuai Y, Zhang Z M 2013 Int. J. Heat Mass Transfer 67 637

    [21]

    Zhao J M, Zhang Z M 2015 J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 151 49

    [22]

    Fang Z, Wang Y, Liu Z, Schlather A, Ajayan P M, Koppens F H, Nordlander P, Halas N J 2012 ACS Nano 6 10222

    [23]

    Cai Y J, Zhu J F, Liu Q H 2015 Appl. Phys. Lett. 106 043105

    [24]

    Cai Y J, Zhu J F, Liu Q H, Lin T, Zhou J Y, Ye L F, Cai Z P 2015 Opt. Express 23 32318

    [25]

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    [26]

    Zhao B, Zhao J M, Zhang Z M 2014 Appl. Phys. Lett. 105 031905

    [27]

    Zhao B, Zhang Z M 2014 J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 135 81

    [28]

    Wunsch B, Stauber T, Sols F, Guinea F 2006 New J. Phys. 8 318

    [29]

    Hwang E H, Sarma S D 2007 Phys. Rev. B 75 205418

    [30]

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    [31]

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    [32]

    Landy N I, Bingham C M, Tyler T, Jokerst N, Smith D R, Padilla W J 2009 Phys. Rev. B: Condens. Matter 79 125104

  • [1]

    Geim A K, Novoselov K S 2007 Nat. Mater. 6 183

    [2]

    Neto A H C, Guinea F, Peres N M R 2009 Rev. Mod. Phys. 81 109

    [3]

    Bonaccorso F, Sun Z, Hasan T, Ferrari A C 2010 Nat. Photon. 4 611

    [4]

    Bolotin K I, Sikes K J, Jiang Z, Klima M, Fudenberg G, Hone J 2008 Solid State Commun. 146 351

    [5]

    Xia F N, Mueller T, Lin Y M, Valdes-Garcia A, Avouris P 2009 Nature Nanotech. 4 839

    [6]

    Bao Q, Loh K P 2012 ACS Nano 6 3677

    [7]

    Nair R R, Blake P, Grigorenko A N, Novoselov K S, Booth T J, Stauber T, Peres N M R 2008 Science 320 1308

    [8]

    Hong B H 2009 Nature 457 706

    [9]

    Liu W Z, Wang W, Xu H Y, Li X H, Yang L, Ma J G, Liu Y C 2015 Appl. Phys. Lett. 8 095202

    [10]

    Horng J, Chen C F, Geng B S, Girit C, et al. 2012 Phys. Rev. B: Condens. Matter 83 165113

    [11]

    Li E P, Chu H S, Wu L, Koh W S 2010 Opt. Express 18 14395

    [12]

    Zhang H Y, Huang X Y, Chen Q, Ding C F, Li T T, L H H, Xu S L, Zhang X, Zhang Y P, Yao J Q 2016 Acta Phys. Sin. 65 018101(in Chinese) [张会云, 黄晓燕, 陈琦, 丁春峰, 李彤彤, 吕欢欢, 徐世林, 张晓, 张玉萍, 姚建铨 2016 物理学报 65 018101]

    [13]

    Alaee R, Farhat M, Rockstuhl C, Lederer F 2012 Opt. Express 20 28017

    [14]

    Ju L, Geng B, Horng J, Girit, Martin M 2011 Nature Nanotech. 6 630

    [15]

    Thongrattanasiri S, Koppens F H, Garcia de Abajo F J 2012 Phys. Rev. Lett. 108 047401

    [16]

    Gao W, Shi G, Jin Z, Shu J, Zhang Q 2013 Nano Lett. 13 3698

    [17]

    Marco F, Alexander U, Andreas P, Govinda L, Karl U, Hermann D, Pavel K, Asron M A, Werner S, Gottfried S, Thomas M 2012 Nano Lett. 12 2773

    [18]

    Liang Z J, Liu H X, Niu Y X, Yin Y H 2016 Acta Phys. Sin. 65 138501(in Chinese) [梁振江, 刘海霞, 牛燕雄, 尹贻恒 2016 物理学报 65 138501]

    [19]

    Maillard M, Huang P, Brus L 2003 Nano Lett. 3 1611

    [20]

    Zhao B, Wang L, Shuai Y, Zhang Z M 2013 Int. J. Heat Mass Transfer 67 637

    [21]

    Zhao J M, Zhang Z M 2015 J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 151 49

    [22]

    Fang Z, Wang Y, Liu Z, Schlather A, Ajayan P M, Koppens F H, Nordlander P, Halas N J 2012 ACS Nano 6 10222

    [23]

    Cai Y J, Zhu J F, Liu Q H 2015 Appl. Phys. Lett. 106 043105

    [24]

    Cai Y J, Zhu J F, Liu Q H, Lin T, Zhou J Y, Ye L F, Cai Z P 2015 Opt. Express 23 32318

    [25]

    Zhao B, Zhao J M, Zhang Z M 2015 J. Opt. Soc. Am. B: Opt. Phys. 32 1176

    [26]

    Zhao B, Zhao J M, Zhang Z M 2014 Appl. Phys. Lett. 105 031905

    [27]

    Zhao B, Zhang Z M 2014 J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 135 81

    [28]

    Wunsch B, Stauber T, Sols F, Guinea F 2006 New J. Phys. 8 318

    [29]

    Hwang E H, Sarma S D 2007 Phys. Rev. B 75 205418

    [30]

    Falkovsky L A 2008 J. Phys. Conf. Ser. 129 012004

    [31]

    Vakil A, Engheta N 2011 Science 332 1291

    [32]

    Landy N I, Bingham C M, Tyler T, Jokerst N, Smith D R, Padilla W J 2009 Phys. Rev. B: Condens. Matter 79 125104

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-26
  • 修回日期:  2018-03-09
  • 刊出日期:  2018-06-05

基于磁激元效应的石墨烯-金属纳米结构近红外吸收研究

  • 1. 电子科技大学光电科学与工程学院, 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 成都 610054
  • 通信作者: 张晓霞, xxzhang@uestc.edu.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金重点项目(批准号:61435010)和国家自然科学基金创新研究群体科学基金(批准号:61421002)资助的课题.

摘要: 石墨烯作为一种单层碳原子二维材料,在可见光和近红外波段吸收率只有2.3%左右,这限制了石墨烯在光电探测、光电调制等领域的应用.本文基于纳米超材料结构的磁激元共振效应,设计了一种金属-绝缘层-金属-石墨烯混合二维浅光栅结构,通过设计混合二维浅光栅结构尺寸来改变石墨烯化学势,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强和调制.利用有限元仿真和等效电路模型,系统地分析了非正入射、结构参数和石墨烯化学势对吸收特性的影响.研究结果表明,混合二维浅光栅结构的磁激元共振效应可以明显提升石墨烯在近红外波段的吸收率,并且对入射角度和极化方向不敏感.在特定结构参数下,混合二维浅光栅结构在1480 nm处吸收率达到了85%,其中石墨烯的吸收率为55%,提升了24倍;通过调控石墨烯化学势从0.1 eV增大到1.0 eV,分别实现了不同结构尺寸下54.8%,50.3%,46.8%的反射率调制深度.

English Abstract

参考文献 (32)

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