二维半导体等离系统的太赫兹共振特性研究

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等离激元在波导、传感器和调制器等光学器件中具有重要应用。然而,由于传统等离材料,如金属等,具有较大的损耗和尺寸,故以这些材料为基础的等离器件存在一些难以克服的缺陷。石墨烯的出现为等离光学提供了更好的二维材料系统,但因为石墨烯的零带隙特性,使其在调谐能力和开关器件等方面受到了很大限制。近期,在等离光学领域广受关注的二维半导体则弥补了这一缺点。其中的代表材料,如单层二硫化钼(monolayer molybdenum disulfide,ML MoS2),是一种典型的直接带隙半导体,其等离激元频率在太赫兹(terahertz,THz)频段。当前,尽管单层MoS2在THz等离光学领域已经涌现了较多的实验和理论研究,但是所研究的等离系统往往较为复杂或难以得到解析的理论结果,这些都有碍人们对其基础物理机制和调制特性的进一步研究。因此,本文提出了两种结构简单的二维半导体(单层MoS2)等离系统,为研究其在THz频段的等离共振特性建立了解析的理论模型,并详细分析了其THz响应特性及物理机制。主要研究内容和重要研究结果如下:(1)针对法布里-珀罗腔与带衬底的单层MoS2组成的非对称等离系统,研究了谐振腔光子模式与单层MoS2中等离激元之间的耦合。通过理论模型分析发现,这种耦合会形成三种不同的腔等离极化激元(cavity plasmon polaritons,CPPs)。进一步地,本文通过使用实验得到的单层MoS2光电导率数据,证明了衬底能通过不同机制影响这三种CPPs的THz等离共振特性,其中介电环境和MoS2中电子局域化的改变起了很大作用。(2)本文提出了一种单层MoS2/介质层/亚波长金属碟片阵列多层等离系统(multilayer plasmonic system,MLPS),并基于等效偶极子模型和电导边界假设建立了计算该系统透射率、反射率和吸收率的解析模型。此外,本文使用该模型研究了碟片直径、入射角度和单层MoS2电子浓度对MLPS中THz等离共振的调制作用,并基于Fano共振的物理图景解释了其机制,给出了上述物理量对Fano共振参数的调控规律。通过研究衬底材料对CPPs的影响,本文证明单层MoS2理想光学参数和实际光学参数之间的差异对某些等离模式不可忽略,为基于单层MoS2的光电器件衬底材料的选择提供了重要指导。同时,对MLPS中等离共振的研究结果则有望应用于THz频段基于Fano共振的等离光电器件设计与简化。
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