石墨烯材料的光电性质研究

Opto-Electronic Engineering

光 电 工 程 Article

2021年，第48卷，第4期

200319-1 DOI: 10.12086/oee.2021.200319

基于石墨烯超表面的效率可调

太赫兹聚焦透镜

王俊瑶，樊俊鹏，舒 好，刘 畅，程用志*

武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081

摘要：本文提出了一种基于石墨烯超表面的效率可调太赫兹聚焦透镜。该超表面单元结构由两层对称的圆形镂空石墨

烯和中间介质层组成，其中镂空圆形中间由长方形石墨烯片连接。该结构可实现偏振转换，入射到超表面的圆偏振波

将以其正交的形式出射，如左旋圆到右旋圆偏振转换。利用几何相位原理，通过旋转长方形条的方向，透射波会携带

额外的附加相位并能满足2π范围内覆盖。合适地排列石墨烯超表面的单元结构，以实现太赫兹聚焦透镜。仿真结果

表明：通过改变石墨烯的费米能级，可以对超表面圆偏振转换幅度进行调节，进而超透镜的聚焦效率也可以动态调节。

因此，这种基于石墨烯超表面的效率可调聚焦透镜不用改变单元结构的尺寸，只需通过改变费米能级便可实现，可以

广泛地应用到能量收集、成像等太赫兹应用领域。

关键词：超表面；聚焦透镜；石墨烯；太赫兹

中图分类号：TH74；TQ127.11 文献标志码：A

王俊瑶，樊俊鹏，舒好，等. 基于石墨烯超表面的效率可调太赫兹聚焦透镜[J]. 光电工程，2021，48(4): 200319

Wang J Y, Fan J P, Shu H, et al. Efficiency-tunable terahertz focusing lens based on graphene metasurface[J]. Opto-Electron

Eng, 2021, 48(4): 200319

Efficiency-tunable terahertz focusing lens based

on graphene metasurface

物理学中的新型材料应用及研究

一、引言

物理学中的新型材料应用及研究是当今物理学领域的重要研究方向之一。这些材料不仅具有优异的物理、化学性能，还能广泛应用于电子、能源、信息、光学、医学等领域中。本文将重点介绍物理学中新型材料的种类、物理性质以及应用研究进展。

二、石墨烯

石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体材料，由于其高导电性、高热导率、高强度和薄型等优异性质，被广泛应用于电子、能源和生物医学等领域。研究人员通过多种方法制备石墨烯，如机械剥离法、化学气相沉积法和还原氧化石墨烯法等。在电子领域，石墨烯可以作为电极材料，可以应用于柔性电子、透明导电膜、光电器件等领域；在生物医学中，石墨烯可以作为生物传感器和药物载体，可用于癌症治疗和生物成像等研究。

三、钙钛矿

钙钛矿是一种含有钙钛矿结构的晶体材料，具有优异的光电性质，包括高电导率、高光吸收率和高发光强度等。因此，钙钛矿在太阳能电池、LED灯和光电子器件等领域中有着广泛的应用。目前，研究人员正在探索钙钛矿的可持续发展和环境友好性，以及改善其稳定性和寿命等方面。 四、磁性材料

磁性材料是一种能够产生磁性的材料，具有广泛的应用前景。磁性材料可以用于制造磁性存储器和传感器，也可以应用于医学成像和分离生物分子等领域。研究人员正在寻求一种可控制的方法来制备磁性材料，以在室温下实现高磁滞效应和高饱和磁化强度等性质，以及降低材料的毒性和环境污染程度。

五、高温超导体

高温超导体是一种在较高温度下表现出超导性质的材料。这些材料具有极低的电阻值，可以在导电的同时，消耗较小的电能。高温超导体在能源领域中有着广泛的应用，例如，可应用于制造超级导电线、磁浮列车等。研究人员正在探索一种可控制的制备方法来提高其超导性能。

六、碳纳米管

碳纳米管是由碳原子组成的纳米空心管，具有极高的力学强度、导电性和导热性。它可以用于制造纳米电路、传感器和太阳能电池等。碳纳米管也可以应用于医学成像、癌症治疗和药物传递等领域。研究人员正在努力降低碳纳米管的制造成本，并探索更广泛的应用。

摘要

I

摘要

PtSe2是一种新型的过渡金属硫化物，具有室温下超高的载流子迁移率，空

气中较高的稳定性等优良的物理性质。此外，其能带结构、吸收光谱、拉曼光

谱都表现出明显的厚度依赖特性，当其由块状逐渐减薄至单层时，PtSe2将由半

金属逐步过渡为半导体。这些优良的性质使得PtSe2在光电器件领域具有广泛的

应用前景。在对基于PtSe2的光电器件进行设计和性能分析时，我们需要对其线

性光学性质和光学常数有深度的理解和掌握。光学常数谱能反映材料的线性光

学性质。椭偏仪可以同时对薄膜的光学常数和厚度进行测量，并且具有精确度

高、无破坏性等优点，被广泛应用于光学薄膜的测量。本文通过光谱椭偏对化

学气相沉积制备的不同厚度的PtSe2薄膜的光学性质和光学常数进行了研究。具

体内容如下：

首先，我们通过光学显微镜和原子力显微镜表征了样品的平整度。接下来

X射线光电子能谱确认了样品中的组分，测量结果表明我们的样品仅由Pt、Se

两种元素组成，并且样品表现为P型掺杂。拉曼光谱表征了样品的晶格结构，

结果表明所测样品是高质量的PtSe2薄膜。吸收谱、电输运以及傅里叶变换红外

透射谱测量的结果表明样品中同时存在半金属相和半导体相。偏振光学显微测

量以及偏振吸收测量结果显示样品在143×108 µm2 平面范围内表现为各向同性

的光学响应。接下来，我们用椭偏仪测量了样品的椭偏参数𝜓和Δ，并通过建立

光学模型和数据拟合得到了样品的光学常数（𝑛和𝜅）、复介电函数（𝜀1和𝜀2）以

及样品的厚度。最后，我们综合以上的实验结果进行了分析和讨论，结果表明

化学气相沉积制备的10层以内的PtSe2的光学常数随厚度变化具有明显的依赖

性。研究结果为后续进行精确的光学分析和数值模拟提供了重要的参数，并且

有助于PtSe2的进一步研究和在光电子器件上的应用。

关键词：PtSe2；过渡金属硫化物；光学常数；椭偏仪；傅里叶变换红外光谱 Abstract

II

Abstract

拉曼光谱在类⽯墨烯⼆维材料上的表征

拉曼光谱在类⽯墨烯⼆维材料上的表征

摘要

类⽯墨烯⼆维材料具有⽆限类似碳六环的⼆维原⼦晶体结构，因其独特的结构与性质引起了科学家们的⼴泛关注。拉曼光谱是⼀种快速⽽⼜简洁的表征物质结构的⽅法。本⽂结合了先前研究者的⼀些⼯作，总结了拉曼光谱技术在类⽯墨烯⼆维材料表征中的⼀些应⽤。主要阐述了拉曼光谱在表征类⽯墨烯材料如MnS2层结构，以及对于缺陷态与掺杂类型表征上的应⽤。

⼀、前⾔

类⽯墨烯⼆维材料是指⼀个维度上维持纳⽶尺度，⼀个或⼏个原⼦层厚度，⽽在⼆维平⾯内具有⽆限类似碳六环组成的⼆维（2D）周

期蜂窝状点阵结构，具有许多独特的性质。

因为⼆维材料如⽯墨烯等具有很有⾮常优异的特性，⽐如吸收2.3%的⽩光光谱，⾼表⾯积⽐，⾼的杨⽒模量，优异的导热导电性，故这类⼆维材料可以应⽤在光电学[1,2]、⾃旋电⼦学、催化剂、化学传感

器[2,3]、⼤容量电容器、晶体管、太阳能电池、锂电⼦电池、DNA测序[4-6]等很多领域。

拉曼光谱是⼀种快速⽆损的表征材料晶体结构、电⼦能带结构、声⼦能量⾊散和电—声⼦耦合的重要技术⼿段[7,8]，具有较⾼的分辨率，是富勒烯、⼆硫化钼、⾦刚⽯等研究中最受欢迎的表征技术之⼀，在类⽯墨烯材料的发展历程中起了⾄关重要的作⽤。本⽂将通过先前出现有关类⽯墨烯⼆维材料研究中的拉曼光谱表征，分析拉曼光谱在

类⽯墨烯⼆维材料研究中的作⽤。

⼆、拉曼光谱表征类⽯墨烯⼆维材料层状结构1. 从拉曼散射的演化分析MoS2材料块体结构到单层结构的变化[9]

随着多种超薄MoS2为基础的装置的快速发展，研究MoS2薄层的独特性质以及单层简便的检测⽅法成为迫切的需求。拉曼光谱是⼀种快速⽆损的表征⼯具，已经⽤于研究MoS2的不同晶体结构[10-14 ]。⾮共振情况下，四个⼀阶的拉曼活性模式32cm-1(E2g)，286cm-1(E1g)，383cm-1(E2g)和408cm-1(A1g)在MoS2块材中可以看到。共振条件下，由于强的电—声⼦相互作⽤在MoS2块材中可以看到更多的拉曼峰。⼤约460cm-1左右的模式出现在包括M点（LA(M)）上强声学⽀引起的⼆阶拉曼过程。Ref[9]指出E2g和A1g的拉曼频率随着MoS2的层数单调变化。