石墨烯等离激元分子可调谐电磁性质的研究

论文摘要

金属表面能够存在一种能够突破衍射极限的电磁波,通常被称为表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)。与原子和分子系统相似,表面等离激元分子(Plasmonic Molecules,PMs)是以SPP为基础,通过各个等离激元个体之间的相互作用形成一个整体的共有化纳米结构。通常人们利用传统的贵金属材料(金或银)来构成PMs并且各种不同纳米结构的PMs已被广泛研究。但是,由贵金属材料构成的PMs存在着许多缺陷,例如欧姆损耗大等。其中最为关键的缺点在于一旦纳米结构确定,PMs的电磁特性无法进一步进行调节。石墨烯作为一种新型材料可以支持SPPs并且具有较低的欧姆损耗以及较高的限制能力。其最大优势在于石墨烯的SPPs在结构固定的情况下可以通过调节石墨烯化学势等参数进一步调节其电磁行为。由石墨烯构成的PMs具有很大的潜力,然而在有关这方面的研究还十分欠缺。本论文利用商用软件,研究了由不同石墨烯多聚体结构组成的石墨烯PMs的电磁特性。论文的主要研究内容和结论如下:1.构造了石墨烯四聚体结构和石墨烯五聚体结构,通过分析本征模式和消光光谱,可以发现改变石墨烯纳米盘之间的间距,各个石墨烯纳米盘的相互作用得以加强,单个石墨烯纳米盘组成了石墨烯PMs,并且石墨烯PMs展现出从孤立模式转变为集体模式的变化过程。通过加入中心石墨烯纳米盘,使得消光光谱中出现法诺共振现象,并且法诺共振对外界环境的折射率变化十分敏感。2.构造了石墨烯六聚体结构,通过改变石墨烯六聚体的各种参数,法诺共振的谱线形状可以得到优化。石墨烯六聚体产生的法诺共振可以分解为两个子模式的叠加,通过调节这两个子模式,能够更加灵活地控制法诺共振的谱线形状。中心石墨烯纳米盘半径适合的增大能够加强法诺共振在消光光谱中的质量;改变中心石墨烯纳米盘化学势会对两个子模式产生相反的影响,导致两个子模式在消光光谱中产生的共振峰的相对高度会发生明显的改变;弛豫时间的增大会使得消光光谱中的两个共振峰和法诺低谷都会得到加强。通过参数优化,可以得到质量高并且稳定的法诺共振。3.构建了较为复杂的石墨烯十三聚体结构,探究通过局部的改变石墨烯化学势对石墨烯PMs的影响,并且分析其作用机制。结果表明,在具有不同对称性的石墨烯十三聚体中,局部改变石墨烯化学势具有相同的作用机制。根据原有等离激元模式的电场分布和改变石墨烯化学势的位置,能够使得特定的等离激元模式加强或减弱。这使得石墨烯等离激元分子有着更高的灵活性,使其适用领域更加广阔并促进纳米器件的发展。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 石墨烯
•     1.2.1 石墨烯概述
•     1.2.2 石墨烯结构和特性
•     1.2.3 石墨烯表面电导率
•     1.2.4 石墨烯SPPs波色散关系
•   1.3 表面等离激元分子
•     1.3.1 表面等离激元分子发展历程
•     1.3.2 基于石墨烯的表面等离激元分子
•     1.3.3 法诺共振
•   1.4 本论文的研究内容和章节安排
• 第2章 数值分析方法与仿真模型
•   2.1 有限元法
•     2.1.1 有限元法的原理
•     2.1.2 有限元法软件
•   2.2 表面等离激元分子分析方法
•     2.2.1 二维模型的本征频率和品质因子Q
•     2.2.2 三维模型的消光光谱及光场分布
•     2.2.3 石墨烯模型
•   2.3 本章总结
• 第3章 基于石墨烯四聚体和五聚体PMs的性质探究
•   3.1 模型结构
•   3.2 石墨烯四聚体的本征频率和品质因子
•   3.3 石墨烯四聚体的消光光谱
•   3.4 基于石墨烯五聚体的法诺共振的产生及相关性质
•   3.5 法诺共振的折射率传感效应
•   3.6 本章小结
• 第4章 基于石墨烯六聚体的传感器设计
•   4.1 中心石墨烯纳米盘半径
•   4.2 法诺共振子模式的分解
•   4.3 中心石墨烯纳米盘化学势
•   4.4 石墨烯弛豫时间
•   4.5 优化后的石墨烯六聚体的传感效应
•   4.6 本章小结
• 第5章 基于石墨烯十三聚体光电性质的研究
• 6h对称结构'>  5.1 D_6h对称结构
• 12h对称结构'>  5.2 D_12h对称结构
• (3h0对称结构'>  5.3 D₍3h0对称结构
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 本论文工作总结
•   6.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与科研成果
•   1.个人简历
•   2.在学期间发表的学术论文
•     A.第一作者学术论文
•     B.非第一作者学术论文
•   3.在学期间参加的研究项目
•   4.在学期间参加的学术活动
•   5.在学期间获奖情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 任骏波

导师: 邱伟彬

关键词: 石墨烯多聚体,等离激元分子,电磁特性调节,法诺共振,纳米器件

来源: 华侨大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,无机化工

单位: 华侨大学

分类号: O441;TQ127.11

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