基于金属微纳结构的石墨烯宽带吸收增强效应理论研究

Currently, an enhancement of light-graphene interaction is necessary for the real-world applications of the prototype graphene-based micro/nano-photonic devices. Since metamaterial structures can modulate near-field light scattering flexibly and efficiently, in this proposal, we will theoretically explore the enhanced optical absorption of graphene mediated by metallic micro/nano- structures. Firstly, the effects of individual metallic micro/nano-structures in the vicinity of graphene on the optical absorption of graphene will be simulated by the finite element method, in order to establish a theoretical model for graphene optical absorption varying with the inhomogeneity of the near-field distribution of electromagnetic energy, and to explore the energy transfer mechanics between metallic micro/nano-structures and graphene. On this basis, according to transformation optics and finite element electromagnetic simulations, we will design planar-integratable metallic micro/nano-structures on graphene to achieve broadband absorption enhancement. Through this investigation, we expect to obtain a general design method of metallic micro/nano-structures on graphene with broadband high absorption, thus assisting the designs and applications of graphene-based photonic devices.

目前，对于基于石墨烯的微纳光子学原型器件，实现其实际应用的一个前提条件是有效提高光与石墨烯相互作用强度。鉴于利用超颖材料结构可以灵活高效地调节光波近场散射行为，本项目拟理论探索基于金属微纳结构的石墨烯吸收增强效应。首先，通过有限元算法模拟石墨烯表面附近单个金属微纳结构对石墨烯光吸收率的影响，建立近场电磁能量均匀性改变石墨烯光吸收率的物理模型，并探索金属微纳结构与石墨烯之间电磁能量转移的物理机制。在此基础上，根据变换光学理论，结合有限元电磁模拟，设计适合平面集成的石墨烯表面金属微纳结构，实现对石墨烯光吸收率的宽带增强。本研究有望取得宽带高吸收率石墨烯—金属微纳结构复合体系的一般性设计方法，从而对石墨烯器件的设计与应用提供理论帮助。

由于石墨烯单原子层特征限制了其与光子相互作用长度，在一个宽带频率范围内它的光吸收率很小，使得一些基于石墨烯的原型器件（尤其是光伏器件、非线性器件、表面发射激光器等）难以直接应用。如何提高光与石墨烯相互作用强度，是石墨烯器件由理论走向应用的一个关键问题。为了大幅提高光和石墨烯相互作用强度，本项目围绕石墨烯表面金属微纳结构对石墨烯光吸收率的影响这一核心问题，开展了三方面的研究：（1）石墨烯附近金属简单微纳结构对于石墨烯光吸收率的影响，（2）石墨烯对其附近微纳结构光学性质的影响以及（3）金属微纳结构与石墨烯构成的复合材料的吸收增强效应。我们发现石墨烯附近尺寸合适的周期性金属微纳结构可以有效地将入射光波的电磁场聚焦在石墨烯表面附近，从而增强入射电磁波和石墨烯的相互作用，提高石墨烯的光吸收率。通过金属微纳结构的设计，我们将石墨烯的光吸收率在一微米频带宽度范围内提高十至一千倍。运用三维数值模拟分析，我们阐述了金属纳米颗粒和石墨烯之间的电磁能量转移机制，并提出了表面波电磁能量损耗对散射光的依赖关系。通过本项目框架内开展的研究工作，我们不但在理论上实现了石墨烯复合结构的宽带吸收增强效应，而且深入探索了不同电荷体系间的电磁能量转移机制，这将为石墨烯原型器件的实际应用提供理论帮助。