拓扑绝缘体表面等离子体激元在太赫兹波段的研究

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拓扑绝缘体是一种具有新颖光学性质的电磁物质,其能带结构特别,内部为绝缘体态,表面表现为金属性。这种金属性来源于表面电子的自旋受到保护。拓扑绝缘体在量子计算、自旋电子器件、太赫兹表面极化激元领域具有重要的研究意义。因此越来越多的研究人员对拓扑绝缘体展开了深入的研究。近年,基于拓扑绝缘体的表面等离子体激元在理论和实验上有了一定的研究,比如拓扑绝缘体表面等离子体激元的激发与吸收。这些研究让拓扑绝缘体成为了下一代光电集成器件的潜在新型材料。然而,基于多层太赫兹波段拓扑绝缘体的表面等离子体激元的研究还比较少,其对太赫兹波的吸收机理还需进一步探究。本文研究的硒化铋拓扑绝缘体与传统绝缘体表面光学性质差异较大。本文首先分析了太赫兹拓扑绝缘体的表面光学电导率。其次,进一步探讨了拓扑绝缘体薄膜的等效介电函数,这有利于深入研究其表面等离子体激元的性质。最后,通过对其特性的分析,设计了一种U字形的硒化铋薄膜结构,多层薄膜堆积可以实现了赫兹频率范围的宽频吸收。本文内容分为三个部分:(1)介绍了拓扑绝缘体的光学特性、国内外主要研究成果,和硒化铋薄膜表面等离子体激元的发展现况。对太赫兹拓扑绝缘体的表面等离子体激元进行了理论分析。对比了分析了不同材料激发太赫兹表面等离子体激元的物理机制。(2)分析了硒化铋薄膜中太赫兹表面等离子体激元的特性。研究了拓扑绝缘体表面和内部的光学特性,包括其电导率,介电系数的影响因素。在此基础上,对基于硒化铋薄膜的表面等离子体激元的特性做出了深入研究。(3)研究了基于拓扑绝缘体的表面等离子体激元在太赫兹波段的激发和吸收。利用德鲁德-洛伦兹模型分析了拓扑绝缘体的介电系数,然后对一维光栅结构和圆环结构进了行数值建模,确定了仿真模拟的可靠性。提出并研究了多层U字形结构的硒化铋拓扑绝缘体薄膜对太赫兹波的宽频吸收。
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