石墨烯在一维光子晶体作用下的超强吸收外文翻译资料

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石墨烯在一维光子晶体作用下的超强吸收

用制备好的石墨烯层放置在一维光子晶体（1DPC）的顶层，来进行光学吸收的实验还在理论探索中。石墨烯和一维光子晶体的结合会因为光子的分布，使得吸收在一个宽光谱中大大增强。通过调节石墨烯和一维光子晶体之间的距离和不用的入射角可以调谐石墨烯的吸收作用。

石墨烯作为一种无间隙二维半单体，由于它在纳米电子设备和光电设备中的大量运用潜能在近几年来倍受关注。电荷载体在石墨烯中的波函数，具有线性色散和非平凡拓补的结构并且可以被狄拉克方程描述。正是石墨烯这种独特的带状结构，使他在纳米电子中具有重要的潜在运用价值，尤其是在超快速制备晶体管的应用中。作为一个超薄的二维半导体材料，石墨烯同样具有它独特的光学特性；在一个很大的波长范围内，石墨展现出了微小且几乎均匀的吸收。这种特性让石墨烯成为在诸如透明电极和光学显示材料等光电设备中，最有吸引力的可选材料。

虽然石墨烯在长波长范围内的吸收几乎均匀，但是它的光学吸收极小，这不利于诸如光学探测器等光电设备的制备。为了使石墨烯的吸收作用增强许多机制被提出，诸如使用单轴strain11和表面等离子。最近，周期性的图案化石墨烯或者石墨烯与双佩罗法布里波罗腔的结合，被报道指出能让石墨烯的光学吸收达到近乎100%。在表面等离子的应用中，只有特定光谱段范围才能被使用，并且石墨烯在目前的技术状况下也很难被放置进一个光学微共振腔内。并且这些在微型结构的强光子分布必然能减少吸收峰的半高全宽。事实上，当一个单层的石墨烯层被制备在硅体或者一维光电晶体的表面，以一个分隔层隔开，那么一维光电晶体、分隔层和石墨烯层就会组成一个微型光学腔，一维光电晶体和石墨烯在里面起到腔镜的作用。这种光学微型腔，会因为一维表面对硅体或者一维光电晶体的表面缺陷，导致光子在表面的区域化。减少石墨烯的反射率可以使石墨烯变得可视化，除了减少石墨烯的反射率之外，光子在一维晶体表面的区域化也能加强石墨烯的吸收作用。

在这份报告中，我们在理论层面上探索石墨烯制备在夹着分隔层的二氧化硅或硅一维晶体的表面上的光学吸收。如下图所示。硅或二氧化硅一维晶体由7.5个周期交替的硅和二氧化硅层组成。所有的层都是无磁性的，并且当以一束中心波长为lambda;0的光入射到介电常数在这个波长分别是εA0和εB0的二氧化硅和硅体时，二氧化硅（硅体）的厚度是。我们发现制备在一维电光晶体的石墨烯在光线正入射是吸收是原先的四倍，在光线斜入射时是原先的八倍。根据麦克斯韦方程组得，在TM（TE）模式定义为磁性元件（电）平行于界面的场效应的条件下，TE模的光以角入射到第l层时给出的电场是，TM模在第l层产生的磁场，其中且k是复合光的波失。通过传递矩阵法（TMM），在第l层TE模下电场或者TM模下磁场和入射光的关系可表示为。由此我们可以得到石墨烯的吸收，利用波印廷矢量表示：，其中和（）分别是入射和出射光在空气中的波印廷矢量。这里指出，，，。在TE模式下，；在TM模式下，，其中是真空介电常数，是间隔层的介电常数，是光在间隔层的传播角。

下面是我们用来计算的参数：有序堆积的天然石墨烯层在可见光段的折射率其中；单层石墨烯的厚度；中心波长；二氧化硅的介电常数，其中，，，光的波长；是硅的截止频率；二氧化硅间隔层的厚度。

我们首先计算了不带石墨烯一维电光晶体的光子带隙（PBG）。结果就显示在一下的图中（图一）。由于硅和氧化硅层之间的介电常数差异很大，导致在正入射下的光子间隙处于450纳米到750纳米之间，而全向（完全）入射光的光子间隙处于450骂你到600纳米之间。

图二显示了带有一维电光晶体和不带一维电光晶体结构石墨烯的光学吸收，这里显示的是与波长有关的函数。没有一维电光晶体结构的单层石墨烯的光学吸收只有大概2.3%，并吸收的波长在可见光波段是相互独立的（图中以黑色柱状显示）。石墨烯的吸收和波长的函数在不同层数下的对应如下：没有一维电光晶体结构的单层石墨烯是黑色实线，带有一维电光晶体的单层石墨烯是红色虚线，带有一维电光晶体结构的双层石墨烯是绿色点线，三层石墨烯是蓝色点划线。插图显示石墨烯层（在左边的黑色层），二氧化硅隔离层（在左侧虚线中的绿色或淡灰色区域），一维电光晶体（右边虚线所在层区）的光场分布。一下是一个在一维电光晶体上覆盖二氧化硅隔离层的石墨烯层制备图。（图像的轮廓反映了（SiO2 = Si）7.5 1DPC的反射率跟光波长和TE，TM模下入射角的函数关系。）相反，如果把单层石墨烯制备在一维电光晶体的表面，那么吸收峰就会出现在550nm处（如图红色虚线显示）。由于一维电光晶体对光在表面上的地位相对薄弱，它的吸收峰的半高宽度只有大约110nm。因此，带有单层石墨烯的一维电光晶体的吸收能大大加强它的吸收波长范围。为了能理解石墨烯加强吸收的物理机制，我们在图二放出一维电光晶体表面的光场分布。在一维电光晶体的表面，石墨烯层和隔离层充当了一个一维表面缺陷，这使得光子能定位在表面上。甚至在光子定位相对薄弱的情况下，带有单层石墨烯的一维电光晶体的最大吸收也能达到百分之九左右，这仍是不带有一维电光晶体的单层石墨烯在550nm光中吸收的四倍大。随着石墨烯层数的增加吸收也在加强，因为光在石墨烯中传播的路径更长了。随着石墨烯厚度的增加，石墨烯层的反射率略微增加并且光学谐振腔的Q因子也在增加，这使得吸收进一步加强。三层石墨烯能达到将近百分之二十四的吸收率。

我们现在考虑多层石墨烯覆盖在一个一维电光晶体上对光吸收的适应性。微腔的共振条件课描述为其中m是一个整数；是隔离层的光程；其中k是光的波矢是光在隔离层的传播角，这使得在微腔的共振波长和成正比。吸收峰在TE和TM模下都会随入射角的增大向短波方向移动。（如图3）对于TE模来说，当入射角增加，光在石墨烯的传输距离变长，石墨烯层的反射率和光腔的Q因子都会增加，从而使石墨烯的吸收增强，这种情况和增加石墨烯层数相似。单层石墨烯（两个单层石墨烯）在465nm吸收峰的中心波长处的吸收可达百分之十七左右（百分之三十），当入射角为60度时。（如图3a和3c中的蓝色虚线所示）在TM模中，随着入射角的增加，石墨烯片的电场组成不再是平行的，因此石墨烯的吸收会降低。比如一个单层石墨烯和两个单层石墨烯的相对吸收大约为4.4%和9%。（如图3b和3d所示）

石墨烯的吸收也可以通过改变隔离层的光程大小，同样的也可以改变介质常数和空间层的厚度。在图四中，我们绘出了带有一维电光晶体的单层石墨烯的波长关于空间层厚度的函数。从图四中我们可以发现，峰值波长随间隔层呈线性增加。吸收峰的半高波长也随间隔层厚度细微增加。这一特性在光在一个光学微腔传播时完全一致，这证明了石墨烯的增强吸收是光子定位在处于光学微腔的一维电光晶体顶上的结果。

综上，我们理论上探究了制备在一维电光晶体表面上的石墨烯的光学吸收。我们发现石墨烯在带有一维电光晶体时的吸收是正入射光的四倍，也是斜入射的八倍，这是因为光子在处于光学微腔的一维电光晶体表面上的本地化。我们的目标在现有的技术上是很容易实现的，而且我们的课题可能会发掘电光仪器的潜在重要应用性。

这项工作是由国家自然科学基金批准号：从美国国家科学基金会的支持10904059，10904016，和11104232，江西省2009gqw0017号，和福建的创新基金2009j05006号。

图一

图二

图三

图四

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