石墨烯基双曲超材料的可调光学特性及其应用

Hyperbolic metamaterial (HMM) is one class of metamaterials with strong anisotropy, and it is a multi-functional platform to realized various kinds of novel optical effects, such as, waveguiding, imaging, sensing, quantum and thermal engineering beyond conventional devices. However, high loss, not easy to control, and band limited have limited the practical application of HMMs. Fortunately, the emergence of graphene provides a new avenue for implementing low loss, tunable, and broadband HMMs. This project will investigate the tunable optical properties (such as, transmission, reflectance and absorption, etc.) of the graphene HMMs constructed by the alternate layers of graphene and dielectric, reveal the tunable mechanism of all kinds of basic optical properties, provide the preparation method for tunable graphene HMMs in the near infrared and terahertz frequencies ranges, realize low loss and broadband HMMs, and explore the practical applications of graphene HMMs in controlling transmission, reflectance, perfect absorption, spatial filtering, and polarization control. We want to extend our graphene HMMs to other two-dimensional atomic crystal materials, design some new generation optical devices with super function, and offer a variety of new devices for the future optical communication and terahertz communication.

双曲超材料是一种强各向异性的超材料，已被研究者用于实现各种新颖的光学效应,例如，波导、成像、传感、量子和热学工程等。但是，高损耗、不易主动调控和有限带宽等都限制了双曲超材料的实际应用。石墨烯的出现为实现低损耗、宽带和主动可调的双曲超材料提供了新的途径。本项目将开展石墨烯-电介质多层结构形成的双曲超材料的可调谐光学特性（如透射、反射和吸收等）的研究，揭示各种基本光学特性的调控机理，提出近红外和太赫兹波段的可调谐、低损耗和可工作于宽带的石墨烯双曲超材料的实现方法，并探索石墨烯双曲超材料在调控透射、反射，实现完美吸收、空间滤波和偏振控制等方面的应用为潜在的研究目标。我们也希望将石墨烯双曲超材料的工作扩展到其他二维原子晶体材料上，设计出新一代的超功能器件，为将来的光通信和太赫兹通信提供各种新型器件。

双曲超材料（HMMs）是一种强各向异性的超材料，已被研究者用于实现各种新颖的光学效应,例如，波导、成像、传感、量子和热学工程等。但是，高损耗、不易主动调控和有限带宽等都限制了双曲超材料的实际应用。石墨烯的出现为实现低损耗、宽带和主动可调的双曲超材料提供了新的途径。. 通过三年的研究，我们主要完成了一下几个工作：1. 提出了可调谐石墨烯双曲超材料的实现方法，并将该方法拓展到其他二维材料，如黑磷和hBN材料等；2. 基于石墨烯、黑磷和hBN等双曲超材料，设计了一系列可调控的全光吸收器件，如基于石墨烯/氮化硼双曲材料吸收器、基于氮化硼双曲晶体临界耦合现象的全吸收器件、基于黑磷双曲特性的相干吸收器等等，为HMMs在吸收器件方面的应用指明了道路；3. 研究了基于石墨烯HMMs和具有双曲色散特性的hBN平板的等离子体平板波导特性，与传统超材料波导相比，双曲波导具有更多的导波模式；4. 由于hBN材料特殊的双曲特性，首次理论研究了石墨烯介于hBN和非线性介质结构中的非线性表面声子-等离子激元的特性； 5.基于石墨烯和黑磷对生物分子优异的吸附特性，设计了一系列的高性能的生物传感器，如二硫化钼-石墨烯异质结在生物传感器、少层黑磷-石墨烯/TMDCs的异质结的高灵敏度SPR生化传感器、基于黑磷损耗模的高灵敏度生物传感器等等，为二维材料在生物传感器方面的应用提供了理论基础；6.基于石墨烯优异的非线性光学特性，研究了石墨烯及其复合结构的非线性光学双稳态现象；7.开展了石墨烯表面等离激元和其他共振模式耦合的Fano共振和强共振现象研究，并将它应用于生物传感器。. 我们的工作揭示了石墨烯双曲超材料中表面等离激元的耦合机理，探索了石墨烯双曲超材料的可调谐光学特性，提出了可调谐石墨烯HMMs的制备方法，并探索了石墨烯HMMs在调控透射、反射，吸收、非线性、生物传感器、波导、Fano共振等方面的应用。