石墨烯-硅层状薄膜的制备及非线性光学特性的研究

The remarkable optical and electronic properties of graphene make it an ideal photonic and optoelectronic material. The integration of graphene with other two-dimensional thin films has the potential to yield new physical phenomena. In this proposal, the controllable fabrication of graphene-silicon layered thin films and its nonlinear optical response will be fully studied. Firstly, through the adjustment of the experiment condition, the bottom-up approach is employed to fabricate graphene-silicon layered thin films on Ir(111) substrate. By using scanning tunneling microscopy, the process of graphene synthesis will be monitored. Combining with the theoretical calculation, the kinetic characteristics of the growth process and the interaction between graphene and silicon layer will be analyzed. Based on the above experiment, layered thin films will be fabricated on Ir(111)/YSZ/Si(111) thin films. After transferring, the nonlinear refractive index, the saturated absorption spectroscopy and modulation depth of graphene-silicon layered thin films will be studied though Z-scan technique. This project will provide valuable reference for the construction of particular graphene-based optoelectronic devices.

石墨烯卓越的光学、电学性质使其成为一种理想的光电材料。石墨烯与其它二维薄膜的堆叠组合有可能产生新奇的物理现象，带来工业需求的新型光电材料。本项目主要研究石墨烯-硅层状薄膜的可控制备以及相应的非线性光学特性。首先，通过调控基底温度、蒸发速率及退火温度，在单晶Ir（111）表面采用自下而上的方法原位制备石墨烯-硅层状薄膜，通过扫描隧道显微镜（STM）记录C原子穿过硅层形成石墨烯的过程，结合第一性原理计算分析生长过程中的动力学特征和石墨烯与硅层之间的电子转移及相互作用；在此实验基础上，在Ir(111)/YSZ/Si(111) 薄膜表面制备石墨烯-硅层状结构，并将此层状薄膜转移；采用Z扫描技术研究石墨烯-硅层状薄膜的非线性折射率、可饱和吸收曲线和调制深度等非线性光学特性。本项目的开展将对特定的石墨烯光电器件的构建提供更具体的参考依据。

自石墨烯被发现以后，它的独特的电学、光学等性质引起了越来越多科学家们的关注。最近，研究人员在石墨烯的层状异质结构及相关的二维材料体系中发现了很多有意思的物理现象。其中，硅是一种非常重要的半导体材料，因此将它与石墨烯相整合是微电子领域中的基本要求。那么，要研究石墨烯-硅的层状结构，一方面，要构造出石墨烯-硅这样的层状异质结构；另一方面，要使石墨烯和硅层之间原子级平整，这样才能充分发挥这一异质结构的独特性质。因此，制备出石墨烯-硅层状异质结构，且达到石墨烯和硅层之间原子级平整，就显得尤为重要。从该角度出发，我们设计了一种新的，简单且原位的技术制备出了石墨烯-硅层状异质结构。首先在基底Ir(111)的块体中储存C原子，然后在单晶Ir(111) 上沉积硅，形成单层硅结构，然后将基底退火, 使Ir体内的C原子析出并穿过硅层形成石墨烯，从而原位形成石墨烯-硅层状结构。我们通过LEED，STM以及Raman分别对此结构进行了表征，结果表明上面一层是完整的石墨烯结构，从而形成了石墨烯-硅层状异质结构，这也为发现新的物理现象提供了更多的可能。此外，为了研究二维材料的光电性质，还参与研究了解理石墨烯等二维材料的技术中，发展了一套具有普适性的新型机械解理方法。这种新型机械解理方法的核心在于通过改变解理过程中的多个参数，增强层状材料与基底之间的范德瓦耳斯相互作用，从而提高单层样品的产率和面积。此技术为我们研究石墨烯等二维材料的光电性能打下了坚实的基础。