扭转石墨烯体系光学吸收性质的理论研究

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石墨烯是由碳原子所组成的二维蜂窝状材料,如果在相邻的两个单层石墨烯之间引入一个相对扭转角度,能够形成扭转石墨烯材料。目前,有关于扭转双层石墨烯(TBG)材料的实验研究相当丰富,结果发现扭转角度会改变晶格原有的周期性和对称性,并由此导致层间的周期性势场得到调制,从而改变了载流子的能态,产生一系列新的光学特性。为拓宽扭转石墨烯材料在光学性质方面的理论研究,本文从理论方面计算研究了与扭转角度、外加电场强度相关的扭转石墨烯体系(扭转双层石墨烯TBG、扭转三层石墨烯TTG、扭转四层石墨烯TDBG)的光学吸收特性。本文基于有效连续近似模型研究扭转石墨烯体系的能带分布,先后建立了每种体系在狄拉克点(K点)附近的有效哈密顿量以及在范霍夫奇点(van Hove singularities,VHS)附近有、无外电场作用下的有效哈密顿量,接着利用理论推导或数值计算的方法得到每种体系对应的能量本征值与波函数,分析扭转角度、外加电场强度对体系能带结构的影响。结合电子-光子相互作用哈密顿量,分别得到了扭转体系在K点附近的光吸收系数的解析解和在VHS奇点附近的光吸收系数的数值解。利用得到的光吸收系数,绘制不同扭转体系的吸收谱线,分析扭转角度、外加电场以及入射光波长范围对扭转石墨烯体系的光吸收特性的影响。研究表明:(1)在无外加电场时,扭转角度不会改变能带的对称性,但会造成VHS奇点附近带隙增大;当施加外加垂直电场时,会破坏原有能带结构的对称性。(2)考虑K点附近的光学跃迁:单光子吸收系数α与扭转角度无关,TBG的系数是常数,约为2.15×10~8m-1,而TTG和TDBG的系数随入射光波长呈分段性变化,整体呈现降低的趋势;双光子吸收系数β受入射波长与扭转角共同影响,每种体系的吸收系数数值会随扭转角度的增加都略有上升,TBG的系数随入射光波长呈现缓慢地单调递增;在一定入射光波长下,TTG和TDBG的双光子吸收谱中会出现峰值。(3)考虑到有、无外加电场下在VHS奇点附近的光学跃迁:在无外场作用时,所有扭转体系无论带内、带间跃迁都只有一个共振吸收峰,但不同体系的吸收峰位置与数值受扭转角度和入射光波长影响的程度不同。施加外加电场后,所有体系的带间跃迁吸收峰均会分裂成两个“子峰”,并且两个子峰的间距会随着电场强度增大朝着反方向移动,但三种扭转体系的带内跃迁谱线受电场强度调节情况不同。上述研究结果无论对拓宽石墨烯材料光学吸收性质的基本理论还是提升石墨烯光电器件性能都有着重大意义。
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