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石墨烯具有零带隙、费米能级可调等优良特性,在光电探测、生物传感、太阳能电池等方面有着非常广泛的应用前景。然而受限于石墨烯单原子层超薄厚度,石墨烯仅仅具有约2.3%的光吸收。微弱的光吸收率限制了石墨烯在光电器件中的应用和发展。近年来,有很多学者纷纷提出利用等离子效应、介质或金属光学腔、倏逝波激发等方式来提高石墨烯的光吸收率,取得了积极进展。此外,也有一些学者对增加石墨烯吸收带宽做出了有益探索,但大多数宽带吸收器件都是基于图形化石墨烯纳米结构中多个共振模式叠加的原理,其制备需要高精度纳米加工技术,因此现有的关于石墨烯宽带吸收器件的研究大多停留在理论层面。本文提出利用四分之一波长光腔结构来调控石墨烯的吸收效率和带宽,在铜/二氧化硅/石墨烯三层膜中获得了石墨烯高达40%的吸收效率,同时通过改变腔长选择不同的共振模式,实现了石墨烯的吸收带宽在中心波长的10%到52%之间的调控。论文取得的主要成果如下: (1)利用传输矩阵方法和时域有限差分方法建立了石墨烯-介质多层膜的光学仿真模型。仿真结果表明,本文设计的铜/二氧化硅/石墨烯多层膜对TE偏振光有吸收增强效应,其吸收效率随着入射角的增大而增大,而对于TM偏振光,其吸收随着入射角的增大而减小;两种偏振下光的吸收频率都随着入射角的增大而发生蓝移。此外,随着介质层厚度的增加,高阶共振模式被激发,其相应的共振频率范围逐渐变小,导致石墨烯吸收峰越来越窄。 (2)对四分之一波长薄膜腔中石墨烯的吸收调控机理进行了阐释。当介质层厚度为四分之一波长的奇数倍时,满足光场共振条件,其模式的最大光场分布在介质表面,刚好与石墨烯重合,导致石墨烯吸收增强;此外四分之一波长腔的共振模式的线宽与腔长成反比,腔长越长,线宽越窄,因此可以通过改变共振腔介质层的厚度来控制共振模式线宽,进而控制石墨烯的吸收带宽。 (3)在实验上制备出所设计的多层膜石墨烯吸收样品。红外光谱测试结果与理论仿真结果一致,对于TM偏振光,当入射角从15°变化到85°时,石墨烯的吸收从9%增加到40%,同时当二氧化硅介质层厚度从四分之一波长变化到四分之七波长时,石墨烯的吸收带宽从中心波长的52%减小到10%。 本文提出的石墨烯-介质多层膜吸收体结构简单,易于制备,为石墨烯吸收性能调控提供了一种简单有效的方法。