Графен и структуры на его основе для фотоники

• Автор: Рыбин, Максим Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 106 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Графен и фотонные кристаллы (литературный обзор)
1.1 Атомная решётка и зонная структура графена
1.2 Методы получение графеновых образцов
1.3 Оптические свойства графена и методы диагностики
1.4 Применения графена
1.5 Фотонные кристаллы
Глава 2. Экспериментальные методы и материалы
2.1 Приготовление образцов графена
2.2 Методы компьютерного моделирования фотонных кристаллов и методика их изготовления
2.3 Установки для регистрации спектров КРС, оптического поглощения и отражения света
2.4 Установки по исследованию линейных и нелинейных оптических свойств графена
Глава 3. Получение и диагностика образцов графена
3.1 Микромеханическое отщепление
3.2 Синтез образцов методом химического газофазного осаждения
Глава 4. Оптические свойства структур на основе графена
4.1 Идентификация графена на подложках в оптическом микроскопе
4.2 Исследование нелинейно-оптических свойств графена методом «ришр-ргоЬе» спектроскопии
4.3 Исследование линейного и нелинейного поглощения в графене в среднем инфракрасном диапазоне
4.4 Использование структур на основе графена для получения ультракоротких лазерных импульсов
Глава 5. Интегрирование графена с фотонными кристаллами
5.1 Обоснование интеграции графена и фотонного кристалла

5.2 Компьютерное моделирование структуры фотонного кристалла
5.3 Компьютерное моделирование и экспериментальное подтверждение усиления поглощения в графене, интегрированном с фотонным кристаллом
Основные результаты и выводы
Список используемой литературы

Введение
Исследование графена является в настоящее время одной из наиболее востребованных тематик в области наноматериалов. В 2010 году за «новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала -графена» были удостоены Нобелевской премии Константин Новосёлов и Андрей Гейм. Напомним, что графен - это двумерная структура, в которой атомы углерода выстроены в форме правильных шестиугольников. Графен является составной единицей графита и используется как теоретическая модель для описания других аллотропных форм углерода, таких, как фуллерены и нанотрубки. Несмотря на то, что первые экспериментальные образцы графена были получены относительно недавно (в 2004 году [1]), существует уже немало исследований по применению графена в различных областях, а количество публикаций, посвящённых графену, растёт по экспоненте в зависимости от времени.
Графен имеет уникальные электронные и оптические свойства, которые основаны на его зонной структуре [2]. В первой зоне Бриллюэна графена существуют особые точки К и К’, вблизи которых закон дисперсии энергии электронов имеет линейную зависимость от волнового вектора. Таким образом, графен является полупроводником с нулевой запрещённой зоной, а движение электронов в нём описывается не уравнением Шрёдингера, как в объёмных полупроводниках, а двумерным уравнением Дирака для безмассовых квазичастиц [3]. Вследствие этого в графене наблюдается квантовый эффект Холла [1], сверхвысокая подвижность электронов [1]. Также, наряду с электронными свойствами, графен имеет выдающиеся оптические характеристики. Например, величина оптического поглощения света в нем составляет 2,3% [4] от интенсивности падающего излучения и не зависит от длины волны.
К наиболее распространённым применениям графена относятся использование в полевых транзисторах [1, 5], в сенсорных экранах (в качестве
графеновыми плёнками.
Ниже представлено краткое объяснение принципа работы таких структурированных отражательных пластин. Рассмотрим, для начала, два однородных изотропных полупространства с диэлектрическими проницаемостями в] и е2 и, следовательно, с коэффициентами преломления света «, =у/е 1 и п2 = у[ё2 (п2>П|) (рис. 12а).
Построим дисперсионную зависимость частоты фотонов, распространяющихся в полупространстве 2 для направления волнового вектора Лц, который параллелен плоскости соприкосновения двух полупространств. В этом случае энергия описывается соотношением:
Если фотоны направлены параллельно плоскости соприкосновения (то
걫к||, то вклад перпендикулярной компоненты в энергию будет незначителен, и, с точки зрения геометрической оптики, мы будем иметь электромагнитную волну, падающую под большим углом на границу раздела двух сред, причём, из среды с большим коэффициентом преломления света. В этом случае будет наблюдаться эффект полного внутреннего отражения, если:
На дисперсионной диаграмме эта волна будет лежать в голубой области (рис. 126). Если к± даёт большой вклад, то есть угол падения уменьшается, и в определённый момент нарушится закон полного внутреннего отражения и волна частично отразится и частично преломится. На дисперсионной кривой
(1.3)

к . Если кх 0 и
есть к±=0), то их частота будет лежать на прямой
зіп(2) > — 5 Где віт{(р2)
п2 у «|| + к

7, а значит:
(1.4)