石墨烯的光转换
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
提供几个不同情形下的方案。先考虑均匀偏压的石墨烯层上的30THz的SPP模。在T=3K，Γ=0.43meV， 时，TM SPP导模的波长为λ0/69.34=144.22nm，实部69.34 ，虚部0.71 .这个高度压缩的模式提供了69.34的SPP指数（ ）并相应有很长的传播距离2.25μm（15.6λspp）.调节空间电场偏压可以使SPP表面波在石墨烯上反射或折射。改变静电场偏压，可以考虑3种方式：1.用分裂栅结构，赋予不同门不同的偏压（图2）。门电极上的Vb1和Vb2提供不同化学潜势值，如uc1=0.15eV和uc2=0.065eV.实际的电极可以在石墨烯基底上。2.用一个不平整的面板（图3）3.上表面附近介电常数分布不均匀的容器。这使得石墨烯下的静电场不均匀，产生不均匀的化学势及导电率。
图2的2个区域导电率值：σg1=0.0009+i0.0765mS,σg2=0.0039-i0.0324mS。1提供TM SPP，2则没有。TM SPP在1区内两区域边界会发生反射，反射波和入射波会形成斜立的波。这种SPP的反射类似于两种介质交接平面波的菲涅尔反射。然而，这种反射发生于仅一层原子厚度的平面，辐射损失很小，这归功于石墨烯对SPP的高束缚性。这个例子也可以类比于一个平坦交界面的菲涅尔反射，这个交界面由支持传播波的介质（比如有真正折射率的介质----一个绝缘体）及一个不支持传播波的介质（比如无真实折射率的贵金属）组成。于是，石墨烯上SPP的菲涅尔反射接近于完全的反射。图2中，能在边界观察到一个红外边界导波。这个现象可能和石墨烯上形成的p-n结附近的电子行为有关。
石墨烯光转换
已有体系：贵金属复合材料；新体系：石墨烯。用静电场改变化学势以调节石墨烯导电性（在太赫兹及红外下）。多种前景及用途。
已有体系：可提供表面等离子激元（SPP）（可视-红外），可成为光学复合材料。缺点：不能更改介电常数；有材料损失，会降低复合材料与绝缘材料分界面等离子体激元共振的品质并限制相关表面等离子激元的传播长度。这些条件限制了一些复合材料及光转换器件的用途。
以上述概念为基础，我们也可以设想单层碳原子上的2D红外复合材料及光转换器件。图4A展示了数值仿真SPP沿无基底石墨烯层的传播，给出了产生的一系列2D环形“小块”。这些小块偏压为Vb2，其他区域的偏压则为Vb1。每个环形小块如同一个SPP表面波的散射器，像一个单原子层的“平原杂质”一般起作用。这些“杂质”集合造就了一个2D大块平面复合材料。该数值仿真指出这种几何学（结构）如果设计合理的话，可以如同一个2D版的复合材料工作，即如同一系列次波长金属纳米颗粒所构成一样，在适当条件下产生后向波传播效应。不仅如此，一个“平面”版的卢纳堡透镜（一种光转换器件）被示于图4B。这种以石墨烯制造的卢纳堡透镜可以通过制造数个特定数值的同心环设计出来。当特别地配置偏压方案，可以大致的制造出分级的导电率图案，提供所需要的有效SPP分级标示来操作卢纳堡透镜。利用离散化的近似公式 来确定同心圈的对应导电率，式中 和 分别指导电率虚部和第n个区域的半径， 则指背景石墨烯的导电率虚部。仿真结果（图4B）揭示了点状源产生的SPP演化成了近似单原子层厚的“准直光线”石墨烯SPP，如同一个常见的3D卢纳堡透镜校准点源产生的波前为3D光线。“平”卢纳堡透镜的直径约为1.5um，0.15λ0，一个明显的次波尺寸。这个例子指出不同的次波长红外器件（比如凸透镜和凹透镜）可以在石墨烯上设计，并提供多用途的平台用于纳米尺度的傅里叶光学和其他光子学信号处理方法。
石墨烯红外波响应----用于低损耗平面红外复合材料及光转换器件。不均匀的电导率图案可行----如不平整基底板、不均匀ຫໍສະໝຸດ Baidu电常数绝缘体、使用门电路和磁场。
石墨烯导电率（由实部、虚部组成）取决于弧度频率w，带电粒子散射率Γ（描述了损耗机理），温度T以及化学势uc.化学势由载流子密度决定，并可以被门限电路、电场、磁场、化学掺杂所控制。根据化学势的不同，石墨烯导电率的虚部在不同频率范围里可以获得正和负的值。单纯隔离出来的石墨烯在T=3K、Γ=0.43meV（由久保公式Kubo Formula算出，该公式与实验结果一致）时，图1 A和B给出了虚部的正负范围。当虚部为正，石墨烯层表现类似一非常薄的金属层，能够支持TM模式电磁SPP表面波。这种TM SPP表面波的色散关系可以表为： 式中， 和 分别是导模和自由空间的波数， 是自由空间固有阻抗。然而，当虚部小于0，石墨烯不在产生TM SPP表面波，而一个弱的TE导模电磁SPP表面波可能会出现。石墨烯层相比贵金属至少有2个优势：1.就SPP特性而言，对于中红外波长区的2种SPP（分别是传播距离（定义为1/Im(β)）和横向伸展（大致与1/Re(β)成比例）），石墨烯的组合更受欢迎。TM SPP的实部波数β在石墨烯上远大于自由空间， .这种SPP表面波被石墨烯表面强烈的约束，导模波长(λspp)远小于自由空间波长λ0。而虚部的波数很小2.最重要的是，石墨烯可以利用化学掺杂或门限电压调节导电率，这种调节可以做到实时、局部性并且可以是不均匀的。由此我们可以制造想要的导电率图样。
图2的2个区域导电率值：σg1=0.0009+i0.0765mS,σg2=0.0039-i0.0324mS。1提供TM SPP，2则没有。TM SPP在1区内两区域边界会发生反射，反射波和入射波会形成斜立的波。这种SPP的反射类似于两种介质交接平面波的菲涅尔反射。然而，这种反射发生于仅一层原子厚度的平面，辐射损失很小，这归功于石墨烯对SPP的高束缚性。这个例子也可以类比于一个平坦交界面的菲涅尔反射，这个交界面由支持传播波的介质（比如有真正折射率的介质----一个绝缘体）及一个不支持传播波的介质（比如无真实折射率的贵金属）组成。于是，石墨烯上SPP的菲涅尔反射接近于完全的反射。图2中，能在边界观察到一个红外边界导波。这个现象可能和石墨烯上形成的p-n结附近的电子行为有关。
石墨烯光转换
已有体系：贵金属复合材料；新体系：石墨烯。用静电场改变化学势以调节石墨烯导电性（在太赫兹及红外下）。多种前景及用途。
已有体系：可提供表面等离子激元（SPP）（可视-红外），可成为光学复合材料。缺点：不能更改介电常数；有材料损失，会降低复合材料与绝缘材料分界面等离子体激元共振的品质并限制相关表面等离子激元的传播长度。这些条件限制了一些复合材料及光转换器件的用途。
以上述概念为基础，我们也可以设想单层碳原子上的2D红外复合材料及光转换器件。图4A展示了数值仿真SPP沿无基底石墨烯层的传播，给出了产生的一系列2D环形“小块”。这些小块偏压为Vb2，其他区域的偏压则为Vb1。每个环形小块如同一个SPP表面波的散射器，像一个单原子层的“平原杂质”一般起作用。这些“杂质”集合造就了一个2D大块平面复合材料。该数值仿真指出这种几何学（结构）如果设计合理的话，可以如同一个2D版的复合材料工作，即如同一系列次波长金属纳米颗粒所构成一样，在适当条件下产生后向波传播效应。不仅如此，一个“平面”版的卢纳堡透镜（一种光转换器件）被示于图4B。这种以石墨烯制造的卢纳堡透镜可以通过制造数个特定数值的同心环设计出来。当特别地配置偏压方案，可以大致的制造出分级的导电率图案，提供所需要的有效SPP分级标示来操作卢纳堡透镜。利用离散化的近似公式 来确定同心圈的对应导电率，式中 和 分别指导电率虚部和第n个区域的半径， 则指背景石墨烯的导电率虚部。仿真结果（图4B）揭示了点状源产生的SPP演化成了近似单原子层厚的“准直光线”石墨烯SPP，如同一个常见的3D卢纳堡透镜校准点源产生的波前为3D光线。“平”卢纳堡透镜的直径约为1.5um，0.15λ0，一个明显的次波尺寸。这个例子指出不同的次波长红外器件（比如凸透镜和凹透镜）可以在石墨烯上设计，并提供多用途的平台用于纳米尺度的傅里叶光学和其他光子学信号处理方法。
石墨烯红外波响应----用于低损耗平面红外复合材料及光转换器件。不均匀的电导率图案可行----如不平整基底板、不均匀ຫໍສະໝຸດ Baidu电常数绝缘体、使用门电路和磁场。
石墨烯导电率（由实部、虚部组成）取决于弧度频率w，带电粒子散射率Γ（描述了损耗机理），温度T以及化学势uc.化学势由载流子密度决定，并可以被门限电路、电场、磁场、化学掺杂所控制。根据化学势的不同，石墨烯导电率的虚部在不同频率范围里可以获得正和负的值。单纯隔离出来的石墨烯在T=3K、Γ=0.43meV（由久保公式Kubo Formula算出，该公式与实验结果一致）时，图1 A和B给出了虚部的正负范围。当虚部为正，石墨烯层表现类似一非常薄的金属层，能够支持TM模式电磁SPP表面波。这种TM SPP表面波的色散关系可以表为： 式中， 和 分别是导模和自由空间的波数， 是自由空间固有阻抗。然而，当虚部小于0，石墨烯不在产生TM SPP表面波，而一个弱的TE导模电磁SPP表面波可能会出现。石墨烯层相比贵金属至少有2个优势：1.就SPP特性而言，对于中红外波长区的2种SPP（分别是传播距离（定义为1/Im(β)）和横向伸展（大致与1/Re(β)成比例）），石墨烯的组合更受欢迎。TM SPP的实部波数β在石墨烯上远大于自由空间， .这种SPP表面波被石墨烯表面强烈的约束，导模波长(λspp)远小于自由空间波长λ0。而虚部的波数很小2.最重要的是，石墨烯可以利用化学掺杂或门限电压调节导电率，这种调节可以做到实时、局部性并且可以是不均匀的。由此我们可以制造想要的导电率图样。