石墨烯光学性质以及二维材料的纳米光子学性质浅析
石墨烯光学性质以及二维材料的纳米光子学性质浅析
知识点总结
石墨烯的能带结构
石墨烯具有特殊的能带结构，如图所示，具有零带隙（布里渊区k和k’导带 和价带是简并的），布里渊区中心点导带价带的π电子态具有20eV的能量差， 费米能级位于狄拉克点处。如此特殊的性质 使石墨烯具有其他半导体材料所没有的的特殊 光学性质。
石墨烯线性光学性质
① 二维石墨烯布里渊区 K 点处的能量与动量成线性关系，载流子的有效质 量为 0，使其具有量子效应和室温下的载流子近弹道传输以及很高的单层 石墨烯吸光率。
石墨烯的光吸收
① 光与石墨烯的相互作用从能带跃迁的角度主要有两种：带间跃迁和带内跃 迁。远红外和太赫兹光谱区为带内跃迁，近红外及可见光光谱区主要是带 间跃迁；
② 带间跃迁下可以通过费米面来调节光吸收，调控方式通过化学掺杂和门电 压调节载流子浓度，也可以用强光泵浦法。
③ 石墨烯等离激元相对传统金属的三大优点；更强的局域性、易于控制等离 激元谱、更长的光学周期。
基于二维TMDCs的发光二极管
发光二极管(LED)广泛用于显示、照明和传感。
单层的TMDCs(如WSe2)是直接带隙的半导体，电子和空穴可以很容易地在辐 射过程中相互结合，产生光子。在接触区域处和发生在高p掺杂的硅基板上 的电致发光也能在单层MoS2场效应晶体管中得到。然而，基于M0S2发光二极 管的光电效率相对较低，并且随载流子注入而显著下降。获得空穴传导的难 度，无效的接触以及单层MoS2的有限的光学性能阻碍了MoS2发光二极管的潜 在应用。
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① 可以通过化学掺杂和门电压调控。 ② 具有更强的局域性 ③ 低损耗和长寿命 ④ 结晶度
过渡金属二硫化物光子学
1.过渡金属二硫化物(TMDCs)是化学公式为MX2的材料，M代表Mo、W、Nb、Re 这一类元素，X是硫元素。
石墨烯：奇特的二维材料
石墨烯：奇特的二维材料石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体材料，具有许多独特的物理和化学性质，被誉为21世纪最具潜力的材料之一。
石墨烯的发现开启了新材料领域的研究热潮，吸引了众多科学家和工程师的关注。
本文将介绍石墨烯的结构特点、性质以及应用前景，探讨这种奇特材料在各个领域的潜在应用价值。
石墨烯的结构特点石墨烯是由一个层层堆叠的碳原子构成的二维晶体结构，每个碳原子与周围三个碳原子形成sp2杂化键，呈现出类似蜂窝状的六角形结构。
这种紧密排列的结构使得石墨烯具有极高的强度和导电性，同时又非常轻薄灵活。
石墨烯的厚度仅为一个原子层，是目前已知最薄的材料之一，同时也是世界上最坚硬的材料之一。
石墨烯的物理性质石墨烯具有许多独特的物理性质，使其在各个领域都具有广泛的应用前景。
首先，石墨烯具有极高的导电性和热导率，远远超过传统材料如铜和铝。
这使得石墨烯在电子器件、传感器等领域具有巨大的潜在应用价值。
其次，石墨烯具有优异的机械性能，具有极高的强度和韧性，可以用于制备轻量化、高强度的复合材料。
此外，石墨烯还具有优异的光学性质，可以用于制备透明导电膜、光学器件等。
石墨烯的化学性质除了优异的物理性质外，石墨烯还具有许多独特的化学性质。
石墨烯具有极强的化学稳定性，可以在常温下稳定存在，不易与其他物质发生化学反应。
同时，石墨烯具有丰富的表面官能团，可以通过化学修饰实现对其性质的调控，拓展其在生物医药、环境保护等领域的应用。
此外，石墨烯还具有优异的吸附性能，可以用于吸附有害气体、重金属离子等。
石墨烯的应用前景由于其独特的结构和性质，石墨烯在各个领域都具有广泛的应用前景。
在电子器件领域，石墨烯可以用于制备高性能的场效应晶体管、柔性显示器等；在能源领域，石墨烯可以用于制备高效的锂离子电池、超级电容器等；在材料领域，石墨烯可以用于制备高强度、高导电性的复合材料；在生物医药领域，石墨烯可以用于制备药物载体、生物传感器等。
可以预见，随着石墨烯材料的不断研究和发展，其在各个领域的应用将会不断拓展，为人类社会带来更多的科技创新和发展机遇。
二维材料特性及其在纳米光电学领域的关键应用
二维材料特性及其在纳米光电学领域的关键应用引言纳米光电学作为纳米科学领域的重要分支，研究了纳米尺度下光与电子相互作用的基本规律和现象。
近年来，二维材料因其独特的物理特性和广泛的应用前景成为纳米光电学研究的焦点之一。
本文将探讨二维材料的特性，以及其在纳米光电学领域的关键应用。
二维材料的特性二维材料是一种只有一层原子厚度的材料，具有独特的物理、化学和电子特性。
其中最常见且研究最为深入的二维材料包括石墨烯和过渡金属硫化物。
石墨烯是由碳原子组成的六角晶格结构，具有高度导电性和优异的机械性能。
而过渡金属硫化物则是由过渡金属原子和硫原子组成的晶格结构，具有可调控的光电特性。
二维材料的独特特性源于其纳米尺度下的量子效应和表面效应。
首先，由于其厚度只有一层原子，二维材料的电子在垂直于材料平面的方向上受限于量子束缚效应，表现出二维特性。
其次，由于表面原子数目较少，二维材料的表面效应显著增强。
这些特性赋予了二维材料许多优异的性能，例如高度的电导率、光学透明性、可调控的能带结构、高斯特效应等。
二维材料在纳米光电学领域的关键应用1. 光电转换器件二维材料因其独特的光电特性，成为开发高效光电转换器件的理想候选材料。
例如，石墨烯由于其高度的导电性、光学透明性和快速的载流子传输速度，可用于制造可见光响应的光电二极管和光探测器。
此外，过渡金属硫化物也因其调控能带结构的能力，可用于制造光伏电池和光催化剂，实现高效的太阳能转换。
2. 光电子器件二维材料在纳米光电子器件中的应用也备受关注。
例如，石墨烯的高度导电性使其成为制造高频率的微波器件的理想材料，可以用于制造高性能的微波谐振器和倍频器。
此外，过渡金属硫化物的能带结构可调控的特性，使其成为制造电子输运器件的有利选择，例如晶体管和薄膜晶体管。
3. 纳米光学二维材料在纳米光学领域的应用也具有重要意义。
石墨烯由于其极高的光学透过性和有效的光吸收能力，可用于制造超薄光学器件，如超薄透明电极和光学吸收层。
石墨烯材料和二维材料
石墨烯材料和二维材料石墨烯和二维材料是当今世界上备受瞩目的材料，因为它们不仅具有超强的物理和化学性质，而且在电子学、能源、生物医学和催化等领域具有广泛的应用前景。
石墨烯是一种由碳原子组成的单层图形化物质，具有优异的电学、热学、力学和光学性质。
石墨烯是最薄的材料，只有一张碳原子层，它的薄度约为人类头发直径的百万分之一，同时还是最强的材料之一，比钢铁还硬。
石墨烯的导电性比铜高几百倍，传热性比银好几倍。
这些超级材料特性使得它们在电子、传感和纳米技术等领域有着广泛的应用。
石墨烯的诞生始于2004年，由英国曼彻斯特大学的安德鲁·盖姆（Andrew Geim）教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）教授共同发现。
他们将石墨烯从普通的石墨中分离出来，并证明它可用于制作新型的纳米电子器件。
他们因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
随着科学技术的发展和研究的深入，许多新的二维材料如黑磷、二硫化钼等材料也相继被发现和研究。
这些新型材料不仅具有与石墨烯相似的优异性质，而且还拥有独特的性质和应用前景。
例如，黑磷是一种新型的二维半导体材料，它的电学性质类似于石墨烯，但与之不同的是，黑磷的带隙（能带中的禁带宽度）可以通过加厚以控制其电学性质。
这意味着黑磷不仅可以用于电子器件的制造，还可以用于光电器件的制造。
而且，黑磷在电池和超级电容器中也具有广泛的应用前景。
除了黑磷之外，二硫化钼也是一种备受关注的二维材料。
它具有特殊的电学、光学和力学性质，导致它在电子和光电领域的应用具有重要的潜力。
许多研究表明，二硫化钼在制造光电二极管、光电传感器和太阳能电池方面具有优异的效果。
总的来说，石墨烯和二维材料是未来科学技术的重要部分。
它们的出现将开创先河，打开诸多新的应用领域。
尽管这些材料还处于研究阶段，但通过对其物理、化学和力学性质的深入研究，我们可以预见这些材料在电子、能源、生物医学、催化等领域的应用将越来越广泛。
石墨烯的光学性质研究
石墨烯的光学性质研究石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维材料，其独特的结构和性质使其在光学领域具有广泛的应用潜力。
在过去的几十年里，许多研究人员对石墨烯的光学性质进行了深入的研究，以探索其在光电器件和光学传感器等领域的应用。
石墨烯的光学性质首先体现在其对可见光的透射和反射特性上。
由于石墨烯是单层结构，它的光学透射率非常高，约为97.7%，这使得石墨烯可以用作高效的透明导电薄膜材料。
同时，石墨烯的反射率也非常低，约为2.3%，这意味着它能够有效地抑制光的反射损失。
而石墨烯的光学吸收性质则取决于入射光的波长。
在可见光范围内，石墨烯呈现出非常强的吸收特性，吸收率高达2.3%，这与其极高的透明性形成了鲜明的对比。
此外，石墨烯的吸收范围可以通过调节其厚度来实现调控，这为光学传感器等领域的应用提供了便利。
另外，石墨烯还具有非常高的光学非线性效应。
光学非线性效应是指材料在强光照射下发生的一系列非线性光学现象，例如倍频、混频等。
石墨烯的非线性光学效应主要归因于其特殊的电子能带结构和电荷输运规律。
这种非线性光学效应使得石墨烯在光电器件中表现出良好的光学性能，例如高速调制器和光学开关等。
此外，石墨烯还具有优异的光学耐热性能和光学稳定性。
由于其单层结构和碳原子的紧密排列，石墨烯能够在高温条件下保持稳定的光学性能，并且不容易受到光腐蚀影响。
这使得石墨烯在高功率激光器等具有高温要求的光学器件中具备重要的应用价值。
需要注意的是，石墨烯的光学性质还与其结构、纯度和制备方法等因素密切相关。
石墨烯的结构缺陷和杂质会影响其光学性能，因此在实际应用中需要对石墨烯材料进行精确的结构表征和纯化处理。
总结起来，石墨烯作为一种具有独特结构和性质的二维材料，其光学性质在可见光范围内具有高透射率和低反射率的特点，并且表现出高吸收率和非线性光学效应。
这些特性使得石墨烯在光电器件、光学传感器和激光器等领域具有广泛的应用前景，而石墨烯的结构、纯度和制备方法等因素也需要进一步研究和优化，以实现其在实际应用中的最佳性能。
二维材料的光电性质研究
二维材料的光电性质研究近年来，随着纳米科技的发展和应用的不断推进，二维材料的研究成为了材料科学领域的热点之一。
二维材料由单层或几层原子组成，拥有独特的电学、光学和热学性质，相对于传统材料具有更高的表面积、可调控性和晶体质量。
其中，二维材料的光电性质研究是一个特别引人关注的领域，本文将对此进行探讨。
首先，二维材料的光电性质主要包括光吸收、光发射和光电子输运等方面。
在光吸收方面，二维材料因其特殊的能带结构和禁带宽度，表现出了独特的吸收谱和吸收强度。
石墨烯作为最早被发现的二维材料之一，具有良好的光吸收特性，在可见光和红外光范围内表现出极高的吸收率。
此外，过渡金属二硫化物（TMDs）等二维材料也因其巨大的内部光学增强效应而成为研究热点。
通过调控二维材料的层厚、异质结构、应变等因素，可以有效改变其光吸收性能。
因此，深入研究二维材料的光吸收机制和吸收谱对于其光电器件的设计和性能优化具有重要意义。
其次，二维材料的光发射性质也备受关注。
光发射是指当二维材料受到光的激发时，通过光致激发、电子激发或能级跃迁等机制而发出的光子。
二维材料的光发射行为受到能带结构、尺寸效应、表面缺陷等因素的影响。
石墨烯作为典型的零维材料，其色散关系为线性，因此呈现出了无准二维自由载流子（电子和空穴）的独特电子结构和光学性质。
而TMDs等二维半导体材料则具有禁带宽度，因此具有可调控的光发射特性。
此外，二维材料在光发射方面还有激子和激发态的重要作用。
激子是带有正负电荷的束缚态复合体，具有较低的自由激子寿命和能级结构，特别适合用于实现低阈值激光器和光电二极管等器件。
最后，二维材料的光电子输运性质也是一个重要的研究方向。
光电子输运主要指的是当二维材料中光子激发到载流子激发后，在材料内部的输运过程。
二维材料的载流子束缚性和局域性较大，因此对于其光电子输运机制的研究具有重要的意义。
例如，石墨烯的载流子输运受到了量子霍尔效应的研究启发，发现石墨烯具有高度移动性和低耗散的特性。
石墨烯的光学特性研究
石墨烯的光学特性研究石墨烯是一种由碳原子构成的单层蜂窝结构的二维材料。
由于其特殊的结构和独特的电子结构，石墨烯展现出了丰富的光学特性。
在本文中，我们将探讨石墨烯的光学特性及其在光电子学领域的应用。
首先，石墨烯的吸收特性非常强大。
石墨烯对整个可见光谱和近红外光都有良好的吸收能力。
石墨烯的光吸收率高达 2.3%，远高于其他吸收材料。
石墨烯的光吸收谱呈现出宽带特性，可以吸收多个波长区域的光线。
这使得石墨烯在太阳能电池、光传感器和光探测器等光电子学器件中有着广泛的应用前景。
其次，石墨烯的折射率也是其光学特性的一个重要指标。
石墨烯的折射率接近于1，远低于常见的材料如玻璃或者金属。
这种极低的折射率使得石墨烯在光学透镜和超薄光学器件中具有广泛的应用潜力。
例如，石墨烯薄膜可以用来制造超薄透镜，实现对可见光和红外光的聚焦，为纳米光学元件的制备提供了一种全新的方法。
此外，石墨烯还具有优异的光电转换能力。
石墨烯可以将吸收到的光子能量转化为电子，即光电效应。
这种光电转换能力使得石墨烯在太阳能电池、光电探测器和光电传感器等领域有重要的应用价值。
石墨烯薄膜作为一种透明导电膜，可以在太阳能电池中作为电极材料，提高光电转换效率。
此外，石墨烯还可以用于制造高灵敏度的光传感器，实现对微小光信号的检测。
石墨烯的光学特性是由其特殊的能带结构决定的。
石墨烯的能带结构呈现出锥涡状，且带隙为零。
这种特殊的能带结构使得石墨烯的载流子能量和动量关系呈现出线性关系，即石墨烯的载流子是无质量的狄拉克费米子。
这种结构与性质使得石墨烯在光学特性方面表现出独特的行为。
石墨烯薄膜中的载流子不仅具有高迁移率，还可以通过电场调控实现能带结构的调节，从而实现对光学特性的调控。
除了以上提到的光学特性之外，石墨烯还具有极高的非线性光学效应、超快的光响应速度以及优异的光稳定性等特性。
这些特殊的光学性质使得石墨烯在激光器、光通信以及光纤传感器等领域具有重要的应用潜力。
综上所述，石墨烯具有丰富独特的光学特性，在光电子学领域具有广泛的应用前景。
二维材料的光电性能分析
二维材料的光电性能分析近年来，二维材料作为一种新型的材料，引起了广泛的研究兴趣。
由于其特殊的结构和性能，二维材料在光电领域具有重要的应用潜力。
本文将探讨二维材料的光电性能，并对其分析进行详细阐述。
首先，我们来介绍一些常见的二维材料。
石墨烯是最早被发现的二维材料，由碳原子形成六边形的晶格结构。
石墨烯的独特性能，如高导电性、高热传导性和优良的机械性能，使其在光电领域得到了广泛的研究。
除了石墨烯，还有许多其他的二维材料，如过渡金属二硫化物（TMDs），氮化硼石墨烯（h-BN）、磷烯等。
这些材料具有不同的化学成分和结构，因此其光电性能也是不同的。
二维材料的光电性能主要包括吸收光谱、光电导率和光致发光等方面。
通过光谱分析可以了解该材料对不同波长（能量）的光的吸收情况。
吸收光谱是通过测量材料对入射光的吸收强度来获取的，可以得到各个波长的吸收峰。
对于吸收峰的位置和强度进行分析，可以推断该材料的能带结构和禁带宽度，进而了解其光电导性能。
光电导率是衡量材料导电性能的指标之一。
在可见光范围内，二维材料的光电导率与其光吸收强度相关。
光电导率的测量可以通过光电导实验来实现，通过测量材料的外部电流随着光照强度的变化情况，可以得到材料的光电导率。
不同的二维材料具有不同的光电导率，这与其能带结构、载流子迁移率等有关。
光致发光是指材料在受到光照激发后发出的光信号。
二维材料由于其特殊的电子结构，具有较高的光致发光效率和较长的寿命。
通过测量材料的光致发光谱，可以了解材料的能级结构和激发态的性质。
此外，光致发光也可以用于制备高效的发光器件，如有机发光二极管（OLEDs）和钙钛矿太阳能电池等。
除了以上几个方面的光电性能，二维材料还具有其他的特殊性质，如光电效应、光吸收增强等。
光电效应是指在光照条件下，材料的电流、电压或电阻发生变化。
光吸收增强是指材料在特定的波长范围内，其吸收强度由于表面等效应而增强。
这些特殊性质的研究可以为二维材料的光电器件设计和应用提供理论依据。
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基于二维TMDCs 的光电探测器
MoS 2 ReSe 2 WS2
基于二维TMDCs的发光二极管
发光二极管(LED)广泛用于显示、照明和传感。 单层的TMDCs(如WSe2)是直接带隙的半导体，电子和空穴可以很容易地在辐 射过程中相互结合，产生光子。在接触区域处和发生在高p掺杂的硅基板上 的电致发光也能在单层MoS2场效应晶体管中得到。然而，基于M0S2发光二极 管的光电效率相对较低，并且随载流子注入而显著下降。获得空穴传导的难 度，无效的接触以及单层MoS2的有限的光学性能阻碍了MoS2发光二极管的潜 在应用。
石墨烯的光吸收
①
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光与石墨烯的相互作用从能带跃迁的角度主要有两种：带间跃迁和带内跃 迁。远红外和太赫兹光谱区为带内跃迁，近红外及可见光光谱区主要是带 间跃迁； 带间跃迁下可以通过费米面来调节光吸收，调控方式通过化学掺杂和门电 压调节载流子浓度，也可以用强光泵浦法。
石墨烯等离激元相对传统金属的三大优点；更强的局域性、易于控制等离 激元谱、更长的光学周期。 化学掺杂，门电压调控方式可以控制带间跃迁，采用合理的掺杂方式可以 使可调控的光谱范围达到可见光。
石墨 烯棱 镜全 内反 射结 构
二维材料的纳米光子学
本文主要探索石墨烯，黒磷，过渡金属二硫化物等二维材料的纳米光子学特 性和应用。 石墨烯的具有在狄拉克点附近能带的线性色散关系和零带隙的结构、支持局 部等离激元和可控的费米能级、对宽光谱范围内光信号的高灵敏度等优点。 可以制作光电探测器，光调制器，但不适合做光源。 hBN具有6eV的大带隙，蜂窝状晶格结构的层状材料，表现出杰出的绝缘体性 能。TMDCs具有1.5-2.5eV能量范围，适合作为发光二极管和激光源。 黒磷具有0.3eV的适中带隙，而且可调的带隙可以弥补石墨烯和TMDCs之间的 带隙空缺。在光探测器和光源产生应用中可以覆盖广泛的波长范围。
石墨烯光学性质以及二 维材料的纳米光子学
姓名： 导师： 日期：2017.6.30
总体规划
首先通过网络搜集有关石墨烯的材料，对石墨烯做了初步的了解。
然后完成对文献《石墨烯的光学性质及其应用研究进展》的精读，和对文献 《Two-dimensional materials for nanophotonics》的浅翻译。
全内反射结构下石墨烯
：采用棱镜全内反射结构，石墨烯与光相互作用具有偏振吸收和宽带相 干吸收增强的特点。光与石墨烯通过倏逝场相互作用，对于 TE 和 TM 偏振 光石墨烯与光的相互作用程度不同，体现出具有偏振吸收的特点。 ：通过偏振吸收特性进行石墨烯层数的测量；基于石墨烯偏振依赖性质 进行的光存储；基于全内反射下石墨烯的偏振吸收效应和结合微流体技术设 计灵敏的折射率传感器，灵敏度高、免标记、实时性好等优点；PDMS 微流体 通道-高温氧化石墨烯-石英片三明治结构和棱镜组成的石墨烯基基单细胞传 感器。
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石墨烯线性光学性质
①
②
③
④ ⑤ ⑥ ⑦
二维石墨烯布里渊区 K 点处的能量与动量成线性关系，载流子的有效质 量为 0，使其具有量子效应和室温下的载流子近弹道传输以及很高的单层 石墨烯吸光率。 狄拉克电子的线性分布，赋予石墨烯对从可见到太赫兹宽波段每层吸收 2.3% 的光。 狄拉克电子的超快动力学和泡利阻隔在锥形能带结构中的存在，赋予石墨 烯优秀的非线性光学性质。 石墨烯的反射率小于其光学透过率。 多层石墨烯的光学吸收率与石墨烯的层数成正比。 通过化学掺杂或电学调控的手段，可 石墨烯的光学透过性可以通过化学掺杂和电学调控改变。
4.黑磷的研究和应用仍面临一些挑战。例如，单层黑磷在空气中快速降级， 氧化和水吸收。因此，开发清洁高效的保护措施是必要的。此外，目前生产 的薄层BP依赖于机械去角质方法，这种方法产量低。因此，我们需要发展出 大面积的合成方法来生产晶圆片的薄层黒磷。
展望未来
首先要进一步了解激光，光学非线性，光反应机制，并需要处理弱吸收和二 维材料的短光相互作用长度的问题。另一个挑战是将可调石墨烯光学反应的 操作窗口从红外线扩展到电磁波谱区域，在那里可以找到更大范围的应用 ，从光学调制，光探测到传感。石墨烯和其他令人满意的二维材料获得了可 控和稳定的化学调控的发展。在不久的将来，除了材料本身的光学性质，混 合异质结构的可用性将产生引人入胜的光学性能，扩展设备功能，包括高效 的太阳能电池，超快光调制器或探测器以及二维光发射装置和激光。
过渡金属二硫化物光子学
过渡金属二硫化物(TMDCs)是化学公式为MX2的材料，M代表Mo、W、Nb、Re 这一类元素，X是硫元素。 TMDCs的层间相互作用是弱范德华力，而平面成键是强共价键。因此TMDCs 可以被剥离到类似石墨烯的薄膜结构，显著地扩展了二维材料的材料库。一 些二维的TMDCs，如钼和钨的硫化物，在多层的形式中有间接带隙，而在它们 的单层形式中成为直接带隙半导体。他们相当大的和可调带隙，不仅仅能产 生强的光致发光，也能打开像光电探测器，能量收集器，电致发光等光电器 件的大门。而且不同于石墨烯基器件，他具有可操作的光谱范围。另外，在 一些二维的TMDCs中已经证明了的奇异光学性质，如谷相干和谷选择性的圆二 色性，使这些材料非常有希望发现新的物理现象。
③
④
ห้องสมุดไป่ตู้
光与石墨烯相互作用增强方式
激发表面等离激元波（石墨烯铺在金纳米结构上） II. 设置光学振荡腔 （在石墨烯上下面安装特定频率的镜面膜） III. 硅波导石墨烯结构 （将石墨烯铺到波导表面） 这三种方法缺点是都一定的牺牲了石墨烯带宽的性质
I.
石墨烯光子和光电子器件
具有独特的能带结构，可调的载流子浓度，超快的室温下载流子迁移 率，能带在K和k’点无带隙，费米面可以通过门电压、化学掺杂等方式调节。 也具有能够拉伸20%的柔性。 柔性电极触摸屏、光伏器件、基于波导的光电器件、石墨烯非线性光 学器件。
石墨烯等离激元学
由于石墨烯同时具有高的载流子迁移率和高导电性，它也成为了一种极具前 景的太赫兹到中红外等离子体器件应用的候选材料。等离子体具有高局域场 强度，广泛用于包括光学天线，近场光学显微镜，化学和生物传感器和亚波 长光学器件等。和传统等离子材料相比具有以下优点： ① 可以通过化学掺杂和门电压调控。 ② 具有更强的局域性 ③ 低损耗和长寿命 ④ 结晶度
光探测器
1.高速、宽带宽的光电探测器 ，用于通信、传感、数字成像是必不可少的 ， 大多数传统的商业光电探测器都是基于硅或III-V半导体上。 2.当光子它们被吸收到光电二极管的耗尽区，激发电子空穴对和自身分离导 致光电响应。(通常被称为“光伏效应”）认为是基于石墨烯的光电探测器早 期的操作原理 。由于单层石墨烯较低的光吸收限制了石墨烯光探测器的光响 应度，所以提出了金属-石墨烯-金属（MGM）非对称电极光探测器，实现 6.1mAW的外部响应，同时具有超宽带、高速和与电路的兼容性的性质，但是 光响应度还是很低。所以提出了下面几种方案。 ① 石墨烯与等离子体纳米结构相结合 使光集中用于等离子体共振，从而使局部电场得到显著增强。在量子效 率方面得到巨大提高。但也会导致可操作宽带的范围减少。
黑磷的光电子学应用
1.黑磷(BP)是一种新兴的二维材料，具有褶皱正交晶格（如图）。它的各向 异性平面晶格结构降低了空间对称性，导致高度的各向异性电子和光电特性。 块状黒磷有一个0.3ev的适度带隙，并且随着层数的减少而单调增加，甚至能 够达到单层2eV。因此，对于光电子应用，黑磷可以覆盖很宽的光谱，从可见 到中红外。黑磷可调温和的直接带隙桥接起零带隙的石墨烯和相对宽带隙对 的TMDCs，使黑磷成为未来电子和光电子应用的一种有前景的材料。 2.层状黑磷的能带结构明显受强多电子效应的影响，同时层状黑磷的能带结 构具有可调性。这使他成为能够应用到更宽的波段设备。 3.黑磷晶体管的光敏反应和黑磷光电探测器在可见光和红外区域可记录超高 分辨率图像。除了黑磷的光电效应，还有线性二色性，空穴迁移率，等独特 性质。
石墨烯的非线性光学性质
入射光所产生的电场与石墨烯内碳原子的外层电子发生共振时，石墨 烯内电子云相对于原子核的位置发生偏移，并产生极化，由此导致了石墨烯 的非线性光学性质。 饱和吸收、自聚焦、克尔效应、光学双稳态及孤波传播等。 施加一垂直于石墨烯表面的直流电场，可以有效调控一阶线性极化率 的数值，从而改变石墨烯的折射率。石墨烯的光学非线性大多取决于其三阶 非线性极化率（单位体积内极化强度与外加电场三次幂的比值），实际一般 用面电流积分总和的n阶导数来描述。
整合量子点和石墨烯 8 用胶体量子点覆盖石墨烯可以获得具有能够获得具有 10 电子/光子的的超 高光电探测和 10 AW 的光响应的光电探测器。但由于需要长时间产生增益， 它们的运算速度也很低。 ③ 石墨烯与微腔结合 可以在给定的波长上实现了20倍的光电流增强。空腔诱导的光学约束可以 增强光反应度，但也缩小其使用的带宽范围。 ④ 将石墨烯耦合到各种波导中 这种光电探测器具有出色的性能。具有很高的光响应度,超宽的带宽(从可 见光到红外波段),效率高、高速、和局域性。
下载了几篇与石墨烯相关的中文论文，进一步理解石墨烯的光学性质，并积 累一些专业词汇。
知识点总结
石墨烯的能带结构
石墨烯具有特殊的能带结构，如图所示，具有零带隙（布里渊区k和k’导带 和价带是简并的），布里渊区中心点导带价带的π电子态具有20eV的能量差， 费米能级位于狄拉克点处。如此特殊的性质 使石墨烯具有其他半导体材料所没有的的特殊 光学性质。
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光调制器
：调制器在光通信中起着至关重要的作用。以石墨烯为基础的光学调制 器，具有强的石墨烯光相互作用、超高速运算速度、大带宽和对硅电子工业 的高度兼容性。尽管石墨烯的光吸收系数大，但单层石墨烯的超薄性质大大 限制了其吸收。所以有必要加强石墨烯-光子的相互作用，特别是波导或光学 腔。 ：1 单层石墨烯平铺到波导上，中间夹了7nm的 Al2O3 ，在石墨烯和波导 之间施加一个驱动电压来调节费米能级。 2 用单层的石墨烯取代掺杂的硅层，形成双层石墨烯光调制器。 3 耦合二维材料到光学腔提供了另一种方法，在覆盖硅光子晶体纳米 腔的 HfO 2 上，通过电子控制石墨烯堆集合成了高对比度、高能量效率和宽带 的光电调制器。 4 全光调制器，由超细纤维包裹单层石墨烯，具有消除“电子瓶颈” 能力。