石墨烯表面等离激元特性研究

安徽师范大学学位评定委员会办公室
学 位 论 文 独 创 性 声 明
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石墨烯表面等离激元的特性研究
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魏楠楠
安徽师范大学硕士学位论文 二○一四 年 五 月
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答辩委员会签名：
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的模型，并对其透射特性进行分析；最后，详细分析石墨烯条带阵列 激发表面等离激元的透射特性，得出,石墨烯阵列周期宽度的变化可 以实现对表面等离子激元的调制。 关键字：表面等离激元 石墨烯 FDTD SPPs 调制
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Abstract
Surface plasmon polaritons(SPPs) ,which has some distinguishing features including abnormal transmission through small holes and enhanced greatly local electromagnetic field, provides a new technical approach for solving the conventional optical system (device) diffraction limit . SPPs that has a good application for super-resolution imaging, high resolution imaging lithography, a new micro-nano optoelectronic device design and other aspects, is currently a hot research in micro and nano optics. Compared with the noble metals( Ag, Au, etc) based SPPs , the graphene based SPPs has some unique advantages in the mid-infrared, such as, the bigger real part of SPPs wave number
分类号：
硕
题目：
士
学
位 论
文
石墨烯表面等离激元特性研究
Title： Characteristics of Graphene Surface Plasmon Polaritons
学科、专业： 研 究 方 向： 作 者 姓 名： 导师及职称： 论文提交日期： 授予学位日期：
光
学
微纳光学 魏楠楠 石建平 教授 2 0 14 年 5 月
学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日
导师签名： 签字日期： 年 月 日
学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址：
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话： 编：
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目 录
摘 要 ........................................................................................................................ 1 ABSTRACT ............................................................................................................ 3 第一章 引言 ......................................................................................................... 5
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附录 ........................................................................................................................... 75 致谢 ........................................................................................................................... 76
本学位论文作者完全了解 安徽师范大学 有关保留、使用学位论文的规定： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被 查阅和借阅。 本人授权 安徽师范大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。
第二章 表面等离激元的基本理论 ............................................................. 26
2.1 表面等离激元的基本概念 .............................................................................. 26 2.2 表面等离激元的特征参数 .............................................................................. 26 2.3 表面等离激元的激发方式 .............................................................................. 33 本章小结 .................................................................................................................. 38
第三章
石墨烯表面等离激元特性研究 ................................................ 39
3.1 FDTD 研究方法及仿真软件介绍 .................................................................... 39 3.1.1 FDTD 研究方法........................................................................................ 39 3.1.2 FDTD Solutions 仿真软件简介............................................................ 40 3.2 石墨烯表面等离激元的产生 ........................................................................... 40 3.2.1 石墨烯的介质特性.................................................................................... 40 3.2.2 多层石墨烯表面等离激元的 Kretschmann 模型仿真和分析............... 44 3.2.3 单层石墨烯的表面等离激元研究........................................................... 51 3.2.2.1 自由空间内的单层石墨烯的表面等离激元 .................................... 51 3.2.2.2 基底上的单层石墨烯的表面等离激元 ............................................ 55 3.2.2.3 自由空间内的单层石墨烯条带阵列的表面等离激元 .................... 60 3.2.2.4 基底上的单层石墨烯条带阵列的表面等离激元 ............................ 62 本章小结 .................................................................................................................. 64
1.1 石墨烯材料概述 ................................................................................................. 5 1.1.1 石墨烯的发现.............................................................................................. 5 1.1.2 石墨烯的结构及性质.................................................................................. 5 1.1.3 石墨烯的制备.............................................................................................. 7 1.2 石墨烯表面等离激元研究现状 ........................................................................ 9 1.2.1 石墨烯表面等离激元的发现..................................................................... 9 1.2.2 石墨烯表面等离激元的优势................................................................... 10 1.2.3 石墨烯表面等离激元的研究现状........................................................... 12 1.3 本论文研究内容及意义 .................................................................................. 24
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摘
要
表面等离激元（Surface Piasmon Polaritons，简称 SPPs）具有很 多优越的特性，尤其是小孔异常透射和局域电磁场巨大增强，为解决 传统光学系统（器件）的衍射极限问题提供了新的技术途径，在超分 辨成像、高分辨成像光刻、新型微纳光电器件设计等方面都有很好的 应用，是目前微纳光学领域的研究热点。与贵金属 Ag、Au 等激发 SPP 相比， 石墨烯 SPP 在中红外波段更有一些独特的优势， 比如： SPP 波数 实部大，而虚部小，具有更好的局域特性和更远的传播距离； 石墨烯的电导率可以通过化学掺杂或改变栅极电压 Ebias 的方法动 态实时地调整，可以按需创建所需的介电常数，对 SP 波的激发调控 更加自由灵活；石墨烯具有高透明度，光能量吸收小，损耗低等等。 因此，对石墨烯中的 SPP 特性进行研究将对中红外波段 SPP 器件的 设计和应用提供理论依据。 本文对石墨烯 SPPs 的基本理论进行初步分析并借助于 FDTD Solutions 电磁场计算软件对石墨烯中的 SPP 电磁场特性进行了研究。 论文从石墨烯的基本物理特征出发， 详细地介绍了石墨烯表面等离激 元的优势，着重阐述了石墨烯的表面等离激元的研究现状；在系统分 析表面等离激元的基本原理基础之上， 详细研究了表面等离激元的激 发方式；建立了基于石墨烯的表面等离激元激发重现的理论模型，并 利用 FDTD Solutions 电磁场计算软件对理论模型进行模拟， 得出在一 定入射光角度下，石墨烯表面等离激元可以发生双面耦合，验证了软 件仿真的正确性； 提出单层石墨烯分别在自由空间和附在石英基底上
结束语 ...................................................................................................................... 65 参考文献 ................................................................................................................. 67
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果， 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日
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