基于黑磷材料的Bloch振荡的研究

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黑磷具有很多优良的物理性质:其热力学性能稳定;能够支持表面等离激元;直接带隙半导体材料;可实现常温霍尔效应;具有较高载流子迁移率。同时,黑磷材料表示出很好的各向异性,具有较强的可调制的光学特性,因而黑磷材料在光电领域有着很广泛的应用前景,近年来已成为一个热门的研究方向。本文建立了黑磷结构的物理模型,推导计算其特性参数,并结合黑磷各向异性的色散关系,采用传输矩阵方法,利用Matlab编程分别计算了黑磷在不同载流子浓度条件下的电导率、介电常数和反射系数。同时,提出了一种黑磷—二氧化硅一维准周期性复合结构,并计算了其可见光到红外波段的传输特性。此外,重点模拟计算了黑磷—二氧化硅复合结构在不同频率、载流子浓度、黑磷厚度时的透射图谱和Bloch振荡特性。主要研究结果为:(1)当高斯光束从真空中沿着夹角为900入射到此复合结构中,此时黑磷在AC方向上与二氧化硅组合,在没有引入厚度梯度δ的条件下,频率在525 THz到573 THz的范围内是其透射率为零,形成了一个类似光子禁带的,且可见光频率范围内并没有产生来回的运动,说明光波在此复合结构中无Wanniers Stark ladders,而在其他低频或者高频段存在着部分的能量损耗,故其存在较低的透射带。而在引入厚度梯度δ为0.01时,在509THz、557THz和620THz处形成峰尖,并产生 Wanniers Stark ladders。(2)当采用中心频率为557THz的高斯光束透射到黑磷—二氧化硅结构中,模拟产生的类似形成正弦波形,且其振幅有些减小,电场强度十分明显,即Bloch振荡,说明黑磷—二氧化硅组合是一种很好且可行的结构。(3)针对在可见光范围领域内,一维准周期性复合结构的传播性质可延伸到红外波段,特别是脉冲宽度频率选择性。这样可以采用更高的波段来应用到厚度梯度交替排布的材料中,从而获得在其范围的透射波形,如此可以极大地丰富脉冲的选择性。电磁波在一维准周期性复合结构传播规律和基于黑磷材料的Bloch振荡研究结果将对周期性交替分布结构中光波传输、红外波段领域的发展以及制作相关光电子器件方面具有很好的理论指导意义。
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