阶段汇报-戴宏炜-2017920

1、阶段汇报阶段汇报 文献文献石墨烯的光学性质及其应用研究进展 Two-dimensional materials for nanophotonics Surface plasmons in a nanostructured black phosphorus flake Plasmonics in graphene at infrared frequencies Black Phosphorus Photodetector Black Phosphorus Optoelectronics Mid-Infrared Electro-Optic Modulation in Black Phosphor

2、us Terahertz photoresponse of black phosphorus THz Photoresponse of Thin Layers of Black Phosphorus Optical Phase Anisotropy in Layered Black Phosphorus Black phosphorus-based one-dimensional photonic crystals and microcavities Size-dependent saturable absorption and mode-locking of dispersed black

3、phosphorus nanosheets Broadband nonlinear optical response in multilayer black phosphorus . 二维材料二维材料 石墨烯和类石墨烯二维材料的出现突显出了具有突出物理和化学特性的新型纳米材料家族，同时也改变了我们对纳米技术的传统观点，甚至开辟了新的研究领域以及前所未有的机会来实现概念上的电子和光电子器件。 目前的二维材料研究主要集中于石墨烯（柔韧、透明、强度高、高导电性）、过渡金属二硫族化合物（TMDC）、MoS2（太阳能电池和光电探测器）、黑磷（场效应晶体管）、绝缘六方氮化硼（HBN）、拓扑绝缘体等。这些材

4、料在高效太阳能电池，超快光调制器或探测器装置中都是极具前景的候选材料。 每种类型的二维材料对于特定应用都具有一些固有的优点，因为它们可以提供不同的选择，金属，半金属和半导体，皆有各种带隙，来提供不同的应用需求。 石墨烯的结构石墨烯的结构石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，而且石墨烯只有一个碳原子的厚度（0.335纳米），而且理论上石墨烯是除金刚石外所有碳晶体的基本结构单元。 和石墨烯相似，黑磷也为片层结构。 不同的是，同一层的磷原子不在同一平面上，呈一种蜂窝状的褶皱结构。层内具有较强的共价键，还留有单个的电子对，层与层之间原子靠范德华力作用。 黑磷的结构黑磷的结

5、构 制作工艺对比制作工艺对比石墨烯机械剥离法：通过胶带反复粘揭石墨薄片来获得薄层石墨烯，简单、成本低，但是获得尺寸随机，不适合量产。化学气相沉积法（CVD）：获得大尺寸的石墨烯，且质量很高。但是过程比较复杂且设备要求高。黑磷机械剥离法：主要的制备方法，简单易操作，样品质量高，但是尺寸和厚度难以控制，不易产业化生产。液相剥离法：可以大批量生产，设备要求低，但是获得尺寸比较小，较为常用。 石墨烯石墨烯 石墨烯可以认为是目前发现功能性最多最强的高效材料，作为一种独特的二维原子晶体材料，石墨烯有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱及极强的非线性光学特性，使其在新型光学和光电

6、器件领域具有得天独厚的优势。石墨烯线性光学性质石墨烯线性光学性质 二维石墨烯布里渊区 K 点处的能量与动量成线性关系，载流子的有效质量为 0，使其具有量子效应和室温下的载流子近弹道传输以及很高的单层石墨烯吸光率。 狄拉克电子的超快动力学和泡利阻隔在锥形能带结构中的存在，赋予石墨烯优秀的非线性光学性质。 石墨烯的反射率小于其光学透过率。 多层石墨烯的光学吸收率与石墨烯的层数成正比。 通过化学掺杂或电学调控的手段，可以调节载流子浓度。 石墨烯的光学透过性可以通过化学掺杂和电学调控改变。 石墨烯的非线性光学性质石墨烯的非线性光学性质原因：入射光所产生的电场与石墨烯内碳原子的外层电子发生共振时，石墨烯

7、内电子云相对于原子核的位置发生偏移，并产生极化，由此导致了石墨烯的非线性光学性质。类型：饱和吸收、自聚焦、克尔效应、光学双稳态及孤波传播等。特性：施加一垂直于石墨烯表面的直流电场，可以有效调控一阶线性极化率的数值，从而改变石墨烯的折射率。石墨烯的光学非线性大多取决于其三阶非线性极化率（单位体积内极化强度与外加电场三次幂的比值），实际一般用面电流积分总和的n阶导数来描述。光与石墨烯相互作用增强方式光与石墨烯相互作用增强方式I.激发表面等离激元波（石墨烯铺在金纳米结构上）II.设置光学振荡腔 （在石墨烯上下面安装特定频率的镜面膜）III. 硅波导石墨烯结构 （将石墨烯铺到波导表面） 这三种方法缺点

8、是都一定的牺牲了石墨烯带宽的性质全反射结构下的石墨烯光学全反射结构下的石墨烯光学 采用棱镜全内反射结构，石墨烯与光相互作用具有偏振吸收和宽带相干吸收增强的特点。这种结构下光与石墨烯通过倏逝场相互作用，对于 TE 和 TM 偏振光石墨烯与光的相互作用程度不同，因而体现出具有偏振吸收的特点，通过优化石墨烯介质周围的折射率或利用多层结构可实现石墨烯的相干吸收增强。基于偏振吸收效应制作的石墨烯层数测量器 石墨烯的发展前景石墨烯的发展前景 石墨烯作为一种新兴的二维材料，由于其具有独特的机械性能、物理性能、电学性质、光学性质和易于调控的特点，已经在各个领域获得的广泛的研究和发展。石墨烯拥有可调控的优异的光

9、学性质，能够应用于各种光子和光电子器件， 但这些器件中石墨烯与光的相互作用也各不不同，有些器件需要石墨烯的透光性（如: 透明电极），有些器件则需要石墨烯与光有强的相互作用（如: 光调制器、探测器、传感器等）。在光子和光电子器件中，实现柔性电极触摸屏、光伏器件、基于波导的光电器件、石墨烯非线性光学器件。 同时需要进一步提高石墨烯的制造工艺，并产业化。解决单层石墨烯的光吸收较低，且将可调石墨烯光学反应的操作窗口从红外线扩展到电磁波谱区域的问题，因为在那里可以找到更大范围的应用，从光学调制，光探测到传感等等。 石墨烯是一种零带隙的半金属半导体材料，拥有超高的电子迁移率以及宽带光吸收特性。然而零带隙性

10、质，限制了在电子和光子器件中的开关比，这也就限制了石墨烯在光电领域的应用和发展。石墨烯中存在严重的散射损失等问题，这限制了等离激元的传播长度和光谱的使用范围。 而黑磷出现刚好解决了这个问题，它的半导体带隙是直接带隙，且带隙与层数相关。这意味着黑磷可以和光直接耦合，这可以让黑磷成为未来光电器件的一个备选材料，可以检测到可见光到近红外区域的光谱。 黑磷的兴起黑磷的兴起 黑磷性质黑磷性质 黑磷具有范德华力键和褶皱蜂窝结构的二维材料，是磷元素中最稳定的同素异形体。具有高对比度的带间激励，线性二色性。各向异性的能带结构，导致高度的各向异性电子和光电特性。 黑磷具有直接带隙和高迁移率的层状半导体，带隙与厚

11、度相关，从0.3ev（块状）到2ev单层），同时黑磷在所有厚度都可直接跃迁。所以黑磷在长波长范围，适合于光电子学应用，尤其在光学通信和军事目的中。强光-事物相互作用，窄直接带隙和宽范围的可调谐光学响应使BP成为一种有希望的非线性光学材料，特别是对于IR和中红外光电子学器件的潜力很大。多层黑磷纳米片具有超快非线性响应，多层BP可能被进一步开发为用于超短脉冲光源的新颖的二维可饱和吸收体，超薄BP薄片可能用作光纤激光器中的光学元件和其他BP相关的超快光子器件。 黑磷的光子设备发展黑磷的光子设备发展 黑磷广泛可调带隙覆盖了一个大能量范围以及高载流子迁移率表明其在宽频光电子应用发展的前景。如探测器、调制

12、器、光源等。具体来说就是黑磷薄膜的非零带隙限制了暗电流以及具有较高的载流子迁移率使其具有高速的操作速度。基于黑磷的近红外光电探测器和远红外光电探测器已经被广泛讨论和应用，最近在硅波导上集成的黑磷光电探测器操作在通信频段展示了数百mA/ W的响应率以及带宽达到3 Gbps。同时发现黑磷和砷掺合会将带隙进一步降低到0.15ev，这意味着基于这种材料制成的光电探测器可以操作在长波长范围。 自2014年以来，人们对二维层状材料黑磷的兴趣有了明显的增长。然而,黑磷的研究仍处在起步阶段和非常有限的光电设备的展示。目前开发先进的晶片规模的合成黑磷和保护方案会进一步的促进高性能的光源、调制器、光电探测器和集成

13、偏振器等器件的产生。 基于黑磷基于黑磷的的光电探测器光电探测器 目前报道很多使用二维材料包括石墨烯的光电探测器/调制器和黑磷光电探测器的纳米尺度的光子器件，这些报道的设备大多是利用来自自由空间光和波导逝尾的光子。虽然具有良好的性能，但是自由空间光学的耦合设备不能被集成在芯片上并且波导集成设备有长通道（波导的宽度）。 而通过光子波导、等离子体结构、黑磷被垂直集成在SOI（绝缘上覆硅）平台上，产生的混合光电探测器可以提供短通道长度和芯片集成的优点。还可以提高短通道的高频率响应，平均本征响应度可达到220 mA / W。此外光子和等离子体在同一装置上的成功集成可以使其可能应用在非线性光学和分子传感器

14、。 基于黑磷的光电探测器基于黑磷的光电探测器设备设计和制造： 肋骨状硅波导和其他光子结构通过标准电子束光刻和ICP RIE蚀刻在SOI晶片上图样。 1.2m硅氧化物放置为分隔层，对于等离子体结构，电介质柱通过电子束光刻在HSQ上图样，接着120nmAu/3nmTi进行堆集。 使用FIB（聚焦离子束）来图样设备中心的纳米狭缝，最后将黑磷薄层从其晶体中剥离并转移到等离子体结构顶层。设备操作：可调电信激光器通过光栅耦合器被耦合进波导基本TE模式,然后引导到芯片的光电探测器区域。在波导管上硅光栅垂直发射光到等离子体结构。入射光激发周期性金属槽的底面的等离子体波并且因此提高了中心的电磁场。在纳米狭缝的出

15、口，顶层黑磷层吸收光子并产生光电流。介绍：黑磷不同于其他二维材料，具有可调的直接带隙（0.3eV-2eV）可以覆盖近红外到中红外范围，高电子迁移率和低暗电流。基于黑磷的中红外光电探测器已经被证明具有高内增益和响应度。通过对黑磷薄层应用电场来调节其光学性质，通过透射光谱研究了不同子带间光学跃迁调制和观察到13nm厚度的黑磷具有超过5%的调制。设备制造和实验装置:450nm的SiO2通过热氧化生成在DSP（双面抛光）硅顶部，用光刻、湿法刻蚀和电子束蒸发制作Ti-Au背栅电极。黑磷片通过透明胶带剥离并转移到涂有PDMS载玻片上，用对齐干转移法转移黑鳞到准备好的基底上。最后10nmAl2O3 通过原子

16、层沉积（ALD）来钝化黑磷。 中红外频率黑磷光电调制中红外频率黑磷光电调制黑磷设备三维图像 基于黑磷的一维光子晶体和微腔基于黑磷的一维光子晶体和微腔 黑磷具有0.3-2eV的直接带隙，其光学性质特征在于强光激发光和面内各向异性。可通过偏振光学显微镜测量这种面内各向异性，并确定在面内方向的可见光范围内的复折射率色散。通过确定复合折射率色散，可以设计诸如光子晶体和微腔的光学器件，其可用于制造光学滤波器、光电开关和发射器。层状半导体材料可以直接集成在多层结构中，像一维光子晶体和微腔。 首先要考虑面内各向异性，扶手椅形和之字形方向折射率，以及使用参考文献中铟锡氧化物的折射率色散、二氧化硅的折射率色散、二氧化锗的折射率色散来模拟各层的介电性质。在一维光子晶体中是使用5nm的acBP或者zzBP与154nm的ITO（铟锡氧化物）交替。在微腔中是由14.5个80nm si02与80nmGe02以及在2个80 nmsi02层中夹着一个5nm的黑磷层及14个双层BPR组成，见下图。光子晶体微腔 总结和展望总结和展