光学复合结构增强二维过渡金属硫化物光吸收的研究

论文摘要

近年来,随着对二维材料的深入研究,二维过渡金属硫化物（TMDCs）凭借其优异特性引起研究人员极大地关注。具有合适带隙的二维TMDCs与在工艺上与平面半导体匹配,可模块化代替部分传统半导体材料。二维TMDCs在场效应晶体管、光电探测器、传感器、和光伏器件等新型纳米器件中有广阔的应用前景。但二维TMDCs对光的吸收较低,用其制作的光电器件性能较差,不利于其实际应用。本文以时域有限差分法（FDTD）为计算基础,通过局域表面等离子体共振（LSPR）、腔结构和导模共振等方法来增强二维TMDCs光吸收。具体工作为:三种光学复合结构增强二维TMDCs光吸收。1.提出硅（Si）/分布式布拉格反射镜（DBR）/单层二硫化钨（WS2）/银（Ag）光栅结构来增强可见光波段单层WS2的光吸收。DBR和Ag光栅均对复合结构中单层WS2光吸收增强起重要作用。结构中单层WS2对420 nm-700 nm光的平均吸收可达52.9%。研究结果表明Ag金属光栅占空比、高度可被用于调节单层WS2光吸收。光斜入射时,单层WS2仍能保持较高的光吸收。2.通过多层结构来增强单层二硒化钼（MoSe2）的光吸收。多层结构由Ag金属层、布拉格光栅、间隔介质二氧化硅（SiO2）和嵌于间隔介质内部的单层MoSe2组成。在光入射到多层结构中时,结构内部形成的Tamm等离子体（TP）模式对光场有极强的限制作用,因此单层MoSe2的光吸收得以增强。在661 nm处,单层MoSe2的光吸收率可达81%。多层结构可通过调节布拉格光栅结构参数和单层MoSe2位置实现光吸收峰的可调。随着入射角增加,光吸收峰波长发生蓝移。3.设计导模共振结构实现单层二硫化钼（MoS2）对共振波长光的完美吸收。导模共振完美吸收器由金（Au）背向反射器、刻蚀有周期性十字凹槽的Si光子晶体板和单层MoS2依次堆叠而成。结构中由导模共振引起的临界耦合效应实现了单层MoS2对共振波长（663 nm）光的完美吸收。通过改变完美吸收器中空气谐振腔（十字凹槽）的几何参数可实现光吸收峰的可调。光入射角增加会使吸收峰发生蓝移,但仍能保持较高的光吸收。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 TMDCs的种类
•   1.3 TMDCs的晶体结构与能带特性
•     1.3.1 TMDCs的晶体结构
•     1.3.2 TMDCs的能带特性
•   1.4 二维TMDCs的应用
•   1.5 增强二维材料光吸收的方法
•     1.5.1 局域表面等离子体共振
•     1.5.2 腔结构
•     1.5.3 导模共振
•   1.6 本文研究内容
• 第二章 数值模拟和光吸收计算方法
•   2.1 FDTD
•     2.1.1 FDTD原理
•     2.1.2 Maxwell方程组
•     2.1.3 边界条件
•     2.1.4 网格限制方法
•   2.2 光吸收计算方法
•     2.2.1 材料的光吸收
•     2.2.2 结构的光吸收
•   2.3 本章小结
• 第三章 Ag光栅和DBR增强单层二硫化钨光吸收
• 2/Ag光栅结构构造和材料参数'>  3.1 Si/DBR/单层WS₂/Ag光栅结构构造和材料参数
• 2在Si/DBR/单层WS₂/Ag光栅结构中光吸收增强的物理机制'>  3.2 单层WS₂在Si/DBR/单层WS₂/Ag光栅结构中光吸收增强的物理机制
•   3.3 Ag光栅结构参数对光吸收性能影响分析
•   3.4 光斜入射对光吸收性能影响分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 多层结构增强单层二硒化钼的光吸收
•   4.1 多层结构的构造和材料参数
• 2在多层结构中光吸收增强的物理机制'>  4.2 单层MoSe₂在多层结构中光吸收增强的物理机制
•   4.3 光吸收峰可调的实现
•   4.4 本章小结
• 第五章 导模共振实现单层二硫化钼完美光吸收
•   5.1 导模共振完美吸收器结构
•   5.2 完美吸收的物理机制
•   5.3 可调吸收峰的实现
•     5.3.1 空气谐振腔对吸收峰的影响
•     5.3.2 入射光角度对吸收峰的影响
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 :作者在攻读硕士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 曹金涛

导师: 高淑梅

关键词: 腔结构,导模共振,光学复合结构

来源: 江南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 江南大学

分类号: O482.3;O644.1

总页数: 50

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