石墨烯包裹纳米线的光散射开题报告

1. 研究目的与意义

等离子激元由于在亚波长尺寸上对光波进行控制与操纵方面有着独特的优势，因此成为当前热门的研究课题之一^[1]。同时其也使实现新型光学器件在微纳光学领域的进一步发展成为可能。像金和银这样的贵金属，由于它们在红外和可见光波段支持表面等离极化波的传播，所以它们构成的光学超材料也一直是研究的热门。然而，难以控制和改变贵金属介电常数函数，以及材料损耗的存在，尤其是在可见光波段下的损耗，降低了等离子共振的质量，并且限制了在金属和介电材料分界面上传播的表面等离极化波的传播长度^[2]，这些缺点限制了某些超材料和传输光学器件的功能。

这种矛盾在2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫成功从石墨薄层中分离出只有单原子厚的石墨薄片——石墨烯以后得到极大的改善^[3]。石墨烯，由于其零带隙结构，具有出色的电子传输特性^[4]，能够适用于光电器件的研究^[5]，并且弥补传统贵金属的不足，成为研究超材料和传输光学设备的新的平台。石墨烯被证明是一种出色的光电材料，它在很多频段下都呈现固有的非线性响应和高的电子迁移速率。同时，在太赫兹波段下，石墨烯还体现出了金属性，因此，石墨烯能够支持非线性表面等离激元，从而增强石墨烯的非线性效应，进而可以用来研究光学双稳^[6]。此外，和传统贵金属表面相比，石墨烯由于结构的特殊性，至少存在两点优势：一旦研究表面等离极化波的特性时，在中红外（mid-infrared）波段下，石墨烯支持的表面极化波传播长度和模式横向伸展比银或者金的更好；和薄金属表面相比，石墨烯最大的优势是可以通过化学掺杂或者外加偏置电压来调节电导率，通过在石墨烯不同的位置外加不同数值的偏置电压，我们能够得到想要的传导模式^[3]。

在对石墨烯的电磁吸收、散射特性研究工作中，主要是利用了中红外波段下，石墨烯材料的金属性来激发等离激元从而增强散射。其中实验方面主要集中在以石墨烯为材料平面体系的增强拉曼散射的研究，其原理是依靠石墨烯与基底材料的强耦合作用激发的强等离子共振，使得交界面处的局域场得到增强，从而使得有效的光吸收和散射都得到增强^[7]。在理论工作中，石墨烯也被广泛研究，但是由于结构解析的局限性，该部分工作主要集中在平面结构的表面等离激元的研究^[8]，以及石墨烯包裹介电柱的超强散射，隐身特性和表面等离极化波传播（模式）的研究^[9]。

2. 研究内容和问题

基本内容：在电磁波的入射下，建立石墨烯包裹纳米线的电磁散射理论，推导得出纳米线的电磁场分布。结合石墨烯的金属性，研究纳米线的几何参数及物理参数对光散射的影响，分析调控光学散射的方法。

预计解决的难题：根据石墨烯包裹纳米线的电磁散射理论，分析石墨烯包裹纳米线的光学散射现象是我们需要解决的关键问题。另外，调节纳米线的物理参数和几何参数进行光学散射增强的调控也是一个关键所在。

3. 设计方案和技术路线

对于石墨烯包裹纳米线体系，分别求解麦克斯韦方程组，建立全波的电磁散射理论，求解纳米线的电磁场分布。分析石墨烯包裹纳米线的光学散射现象，并且调节石墨烯包裹纳米线体系的石墨烯费米能，介质材料的介电常数，纳米线的尺寸以及周围环境来调控光学散射，探究其调制方法。

4. 研究的条件和基础

课题申请人已经进行电磁场与电磁波这门课程的学习，熟练掌握麦克斯韦方程组，并能合理运用其进行解析推导。指导老师可以提供Mathematica、Origin等科学软件供课题申请人进行数值计算。课题组已经具备完成毕业课题的基础条件。