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石墨烯共振微结构完美光吸收响应及其准定量光电调控研究

批准号:
62065007
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
36.0 万元
负责人:
刘晓山
依托单位:
学科分类:
光学和光电子材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘晓山

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
本项目拟通过研究金属等离激元与石墨烯共振单元之间的耦合效应,掌握实现光谱吸收效率高、共振模式带宽窄且便于光电调控的石墨烯微结构体系及其物理机制,探索其在新型光电功能材料与器件方面的潜在应用。主要内容包括:1)设计石墨烯共振微结构,研究谐振单元的共振模式与金属等离激元在空间和频域上的耦合效应,给出完美光吸收响应的物理机制;2)系统分析石墨烯谐振单元的对称破缺、金属微腔空间非对称分布的共振响应特性及其杂化耦合效应,修正和完善实现超窄带共振吸收的理论模型;3)深入研究石墨烯微结构光谱上的窄带完美光吸收与空间上的电磁场超强局域特性在实现全光和电学准定量调控过程中的性能响应及其内在物理过程,推动石墨烯完美光吸收器在全光开关、光电调控模块等领域的应用探索。
英文摘要
This project is with the purpose to master the near-unity absorption and the resonant narrowband absorption with the ability to be manipulated quantitatively by the opto-electronic methods for the graphene microstructures and the intrinsic physical mechanism. The potential applications in these novel graphene absorbers will also be investigated for the new optoelectronic functional materials and devices. The main contents include: 1) to design the graphene microstructure and study the resonant modes and their coupling to the metallic plasmons in the spatial and frequency regions, to show the mechanism for the perfect light absorption; 2) to analyse the resonant behaviors and the hybridized coupling effects for the symmetry-breaking and the asymmetrical distribution of the metallic micro-cavity, to improve the theoretical model of the ultra-narrowband resonant absorption; 3) to investigate the physical process for the narrowband perfect light absorption of the graphene microstructure and the spatially distributed electromagnetic field in the confined area and their relationship to the realization of all-optical and electrical quantitative manipulation, and the properties as well the intrinsic physical process, to promote the applications with the graphene perfect light absorbers in the all-optical switching and optoelectronic modulators, etc.
项目研究背景主要围绕石墨烯以及与等离激元共振微结构对光吸收及其调控技术开展研究,主要研究内容是开展面向具有超窄带完美光吸收特性的石墨烯等离激元微结构与共振模式的局域电磁场空间分布以及对光谱性能响应规律、电磁场局域特性与石墨烯共振模式及其高 Q 光谱特性与物理机制,最终研究了具有项目性能匹配的电磁波吸收器及其准定量调控共振结构体系。展示了一种新型谐振吸收器纳米狭缝成光子薄膜。纳米狭缝腔与光子波导的结合提供了一种强大的方法来操纵光行为,包括光谱Q因子和吸收效率。实现了 Q 因子高达 579.5 的超窄带共振吸收,表明与金属-电介质平膜结构相比增强了~6100%。此外,与没有纳米狭缝的系统的 5.4% 的低吸收相比,纳米狭缝辅助光子吸收器的光谱吸收高达 96.6%。以光学纳米腔作为谐振单元,开展了等离激元光吸收及其电光调控技术研究,获得了99.5%的最大吸收效率。光谱位移灵敏度达到 0.99 nm/V。此外,由于使用了超窄带高Q的共振,也获得了大的光谱强度的变化,这确保了操作过程的高信噪比。通过采用具有结构梯度分布的圆柱形金属共振单元与具有电光调控属性的DAST或钛酸锂等材料,设计了MIM共振结构超表面。研究发现,在施加偏压后获得了光谱频移达7.1 nm/V的非常灵敏的调控技术。与此同时,吸收效率依然保持在97.5%以上。这意味着在进行灵敏的电光调控时,优异的光吸收效率始终得以保持。突破了石墨烯在光电响应方面的认知,进一步挖掘了其具备的光热效应,构建了基于石墨烯与介电谐振单元的超构表面,研究了具有稳定可调且快速响应的手性光学功能特征。基于超窄带的共振光谱,实现了石墨烯本征热效应下的热光调控,调控的灵敏度高达0.06 nm/K。这意味着只需在热光效应下,提升或降低1度或1K的温度,就可以让光谱频移0.06 nm。在超窄带光谱机制下,实现一个半高宽光谱的频移,仅仅需要~0.8 K的温度差即可。因而,可以实现亚K量级的定量高灵敏度高信噪比热光调控!我们进一步研究了该器件模型在时间和电控维度上的性能。发现,在施加2V的电压,且作用时间仅仅10微秒后,即可快速审稿超构表面温度至550 K。这也表明该器件同步具有在时间维度上的超快响应和超低电压需求的特性。研究发现在功能型纳米光电子学器件具有潜在应用价值。
全介质超构材料的可调超窄带光谱响应现象、机理及应用研究
  • 批准号:
    11664015
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    46.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    刘晓山
  • 依托单位:
国内基金
海外基金