石墨烯微纳结构中光波的传输和控制.pdf

Research on the Propagation and Control of lightwave in graphene nanostructure by JIANG Leyong B. S. (Hunan Normal University) 2006 A dissertation submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Doctor of Engineering in Technology puter Application in the Graduate School of Hunan University Supervisor Professor WEN Shuangchun May, 2014 万方数据万方数据博士学位论文I学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明:,,. 作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校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,,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文. 本学位论文属于1、保密□,在______年解密后适用本授权书. 2、不保密□√. (请在以上相应方框内打“√”) 作者签名:日期:年月日导师签名:日期:年月日万方数据石墨烯微纳结构中光波的传输与控制II摘要石墨烯为具有六角晶格结构的二维碳原子单原子层材料,它集碳纳米管和光电子器件的功能于一身,具有许多优异而独特的物理性能,在新型光电功能材料及光电子器件等方面有着广阔的应用前景。本文研究石墨烯调控光束在介质表面的古斯-汉欣位移和反射脉冲群延迟的机制和规律,以及石墨烯对超常材料折射率的调控特性,取得如下主要结果:第一,研究垂直极化(TM极化)光束在覆有单层石墨烯介质表面上的古斯-汉欣位移,建立了古斯-汉欣位移特性与石墨烯电导率之间的物理模型,揭示了调控古斯-汉欣位移的调控机制。由于石墨烯可控电导率融入到介质表面,导致了吸收特性的可控性,从而对古斯-汉欣位移的产生和大小有决定性作用,即使是单层石墨烯,也对古斯-汉欣位移有显著调控效果;特别是,通过对石墨烯进行外界电压的控制,可以改变古斯-汉欣位移的大小和正负。此外,阐明了石墨烯弛豫时间也可以实现古斯-汉欣位移的大小和正负的调控。第二,研究反射光束在覆有多层石墨烯的介质或金属上的古斯-汉欣位移,揭示了古斯-汉欣位移特性与石墨烯层数之间的关系。结果表明,石墨烯覆盖在电介质表面时,对于TM极化光束,在伪布鲁斯特角附近古斯-汉欣位移随石墨烯层数变化显著,当层数小于等于六层时,古斯-汉欣位移为负,且其大小随层数增加而增加;当层数大于六层时,古斯-汉欣为正,且其大小随层数增加而变小。对于水平极化(TE极化)光束,相对来古斯-汉欣位移很小,但仍然可以通过石墨烯层数来调控。石墨烯覆盖在金属表面时,无论是TM还是TE极化光束,石墨烯层数的变化对反射率影响较大,但是对古斯-汉欣位移的影响非常小。第三,研究TM极化光束在覆有单层石墨烯介质上的反射群延迟的可调控特性,揭示了反射群延迟的产生和调控机理。弱吸收特性可以导致大的反射延迟,石墨烯的引入创造了产生和调控弱吸收的条件。研究发现,即使是单层石墨烯,也能够实现较大的负反射群延迟,通过对石墨烯的电控,可以进一步在谐振附近实现对反射群延迟时间的有效操控。此外,阐明了石墨烯的本征参数以及石墨烯层数也可以实现反射群延迟大小的调控。第四,将单层或者多层石墨烯嵌入到渔网型超常材料单元结构的隔空层,揭示了含石墨烯的超常材料折射率的可调控特性。建立了复合渔网结构的色散模型,发现石墨烯电导率的变化对超常材料电谐振的影响非常小,对超常材料磁谐振的谐振频率没有影响,但对其幅度的影响非常大,所以,石墨烯可以实现对超常材料等效折射率幅度的灵活调控,且电导率越大,折射率幅度越小。阐明了石墨烯万方数据博士学位论文III层数的增加可以进一步降低超常材料等效折射率的幅度。关键词:石墨烯;超常材料;古斯-汉欣位移;群延迟;折射率万方数据石墨烯微纳结构中光波的传输与控制IVAbstract Graphene, a two-dimensional monolayer of carbon atoms clo