一种二维材料正入射菲涅尔光学表征方法技术

本发明专利技术提供的二维材料正入射菲涅尔光学表征方法，采用传统的光学薄膜基本理论‑传导矩阵方法，引入光学导纳概念，推导无支撑和有基底二维材料在正入射条件下吸收、反射率、透过率的简单计算公式，推导过程简单，有利于二维材料在光电领域的应用。

A two dimensional material normal incidence Finel optical characterization method

The present invention provides a two-dimensional material normal incidence Fresnel optical characterization method, which adopts the traditional basic theory of optical thin film conduction matrix method, introduces the concept of optical admittance, deduces a simple formula for calculating absorption, reflectivity and transmittance of two-dimensional material without support and with substrate under normal incidence condition, and the deduction process is simple. It is beneficial to the application of two-dimensional materials in the field of photoelectricity.

【技术实现步骤摘要】
一种二维材料正入射菲涅尔光学表征方法
本专利技术涉及光学薄膜和二维材料领域，特别涉及一种二维材料正入射菲涅尔光学表征方法。
技术介绍
2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(KonstantinNovoselov)成功制备出单层石墨烯(厚度0.335nm)，开启了二维材料研究的新纪元。自此以后，石墨烯的光学、电学、磁学性质都得到了广泛的研究。在石墨烯的光学性质研究中，人们使用了两种模型。一个是薄膜模型，即认为石墨烯是一种薄膜，即使它的厚度只有一个原子层那么薄，这一模型主要被用作研究石墨烯等二维材料的光学常数；另一个是界面模型，即把石墨烯当做厚度无限小的界面或边界，这一模型被广泛用来计算石墨烯等二维材料的吸收、反射率、透过率等。石墨烯最著名、最奇特的光学性质，是它在可见光波段的吸收是一个常数(A＝πa＝2.3％，a是精细结构常数)。这一结果就是基于界面模型推导出来的，并已被实验验证(在450-750nm波段的吸收理论值与实验符合的很好，在400-450nm偏差较大)。随后，人们又制备出锗烯、硅烯、二硫化钼、氮化硼等二维材料。由于二维材料的厚度只有几个埃，通常情况下，制备出的二维材料要被转移到基底上。Stauber和Fang等人在界面模型的基础上，用不同方法推导出了有基底二维材料在正入射条件下吸收的计算方法：4πa/(1+ns)2，其中，ns是基底的折射率。但是二维材料本质上是厚度只有几个埃的薄膜，如果使用界面模型计算它的光学性质，传统的光学薄膜理论和商用的光学薄膜软件就失去了效用。
技术实现思路
为了解决上述存在问题之一，本专利技术实施例提供了一种二维材料正入射菲涅尔光学表征方法，采用传统的光学薄膜基本理论-传导矩阵方法，引入光学导纳概念，推导过程简单，有利于二维材料在光电领域的应用。本专利技术提供的一种二维材料正入射菲涅尔光学表征方法，所述方法包括：获取二维材料的位相厚度δ、二维材料光学导纳y、归一化的电场强度B和磁场强度C；利用位相厚度δ、二维材料光学导纳y、归一化的电场强度B和磁场强度C之间的对应关系确定二维材料的吸收。可选地，所述获取二维材料的位相厚度δ、二维材料光学导纳y、归一化的电场强度B和磁场强度C，包括：利用第二关系确定归一化的电场强度B和磁场强度C，所述第二关系为：利用第三关系确定位相厚度δ，所述第三关系为：δ＝2πNd/λ；利用第四关系确定光学导纳和折射率关系，所述第四关系为：y＝H/E＝NY；利用所述位相厚度δ对所述第二关系进行近似处理得到第五关系，所述第五关系为：所述利用位相厚度δ、二维材料光学导纳y、基底光学导纳ys、归一化的电场强度B和磁场强度C之间的对应关系确定二维材料的吸收，包括：利用所述电场强度B、磁场强度C、所述位相厚度δ、所述自由空间光学导纳y0以及第一关系确定用于表征二维材料吸收A的第六关系，所述第一关系为：所述第六关系为：其中，Y为自由空间光学导纳，y0为自由空气光学导纳，y为所述二维材料光学导纳，ym为基底光学导纳，d是二维材料厚度，λ是波长，H表示磁场强度，设N0＝1，N＝n-ik，Ns＝ns-iks，n表示二维材料折射率，k表示二维材料消光系数，ns表示基底折射率，ks表示基底消光系数，Ea为入射电场强度，Ha为入射界面磁场强度，Eb为出射界面电场强度，Hb为出射磁场强度，B为归一化的电场强度，C为归一化的磁场强度，i表示复数虚部。可选地，利用4πk/λ是吸收系数对用于表征二维材料吸收A的所述第六关系简化为第八关系，所述第八关系为：A＝αdn；其中，α表示吸收系数。可选地，所述方法还包括：利用第九关系确定二维材料透射率，所述第九关系为：其中，ys表示基底光学导纳。可选地，所述方法还包括：利用第十关系确定所述二维材料反射率，所述第十关系为：可选地，所述方法还包括：对所述第九关系进行简化得到用于表征无支撑二维材料透过率的第十一关系，所述第十一关系为：可选地，所述方法还包括：对所述第十关系进行简化得到用于表征无支撑二维材料反射率的第十二关系，所述第十二关系为：可选地，所述方法还包括：当N0＝1，利用所述电场强度B、磁场强度C、所述位相厚度δ、所述二维材料光学导纳y以及第一关系确定用于有基底二维材料吸收率的第十三关系，所述十三关系为：可选地，所述方法还包括：当N0＝1，利用所述电场强度B、磁场强度C、所述位相厚度δ、所述二维材料光学导纳y以及第九关系确定用于有基底二维材料透过率T的第十四关系，所述第十四关系为：其中，T表示透过率，ns表示基底折射率。可选地，所述方法还包括：当N0＝1，利用所述电场强度B、磁场强度C、所述位相厚度δ、所述二维材料光学导纳y以及第十关系确定用于有基底二维材料反射率R的第十五关系，所述第十五关系为：本专利技术提供的二维材料正入射菲涅尔光学表征方法，采用传统的光学薄膜基本理论-传导矩阵方法，引入光学导纳概念，推导无支撑和有基底二维材料在正入射条件下吸收、反射率、透过率的简单计算公式，推导过程简单，有利于二维材料在光电领域的应用。附图说明图1为本专利技术实施例中提供的二维材料正入射菲涅尔光学表征方法的薄膜模型示意图；图2为本专利技术实施例中提供的二维材料正入射菲涅尔光学表征方法中对无支撑二维材料透过率计算公式与实验结果的比较示意图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本专利技术提供的一种二维材料正入射菲涅尔光学表征方法，所述方法包括：S101、获取二维材料的位相厚度δ、二维材料光学导纳y、归一化的电场强度B和磁场强度C。具体地，利用第二关系确定归一化的电场强度B和磁场强度C，所述第二关系为：利用第三关系确定位相厚度δ，所述第三关系为：δ＝2πNd/λ；利用第四关系确定导纳和折射率关系，所述第四关系为：y＝H/E＝NY；利用所述位相厚度δ对所述第二关系进行近似处理得到第五关系，所述第五关系为：S102、利用位相厚度δ、二维材料光学导纳y、归一化的电场强度B和磁场强度C之间的对应关系确定二维材料的吸收率。利用所述电场强度B、磁场强度C、所述位相厚度δ、所述二维材料光学导纳y以及第一关系确定用于表征二维材料吸收A的第六关系，所述第一关系为：所述第六关系为：其中，Y为自由空间光学导纳，y0为自由空气光学导纳，y为所述二维材料光学导纳，y本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维材料正入射菲涅尔光学表征方法，其特征在于，所述方法包括：获取二维材料的位相厚度δ、二维材料光学导纳y、归一化的电场强度B和磁场强度C；利用所述位相厚度δ、所述二维材料光学导纳y、所述归一化的电场强度B和磁场强度C之间的对应关系确定所述二维材料的吸收。

【技术特征摘要】
1.一种二维材料正入射菲涅尔光学表征方法，其特征在于，所述方法包括：获取二维材料的位相厚度δ、二维材料光学导纳y、归一化的电场强度B和磁场强度C；利用所述位相厚度δ、所述二维材料光学导纳y、所述归一化的电场强度B和磁场强度C之间的对应关系确定所述二维材料的吸收。2.根据权利要求1所述的二维材料正入射菲涅尔光学表征方法，其特征在于，所述获取二维材料的位相厚度δ、二维材料光学导纳y、归一化的电场强度B和磁场强度C，包括：利用第二关系确定归一化的电场强度B和磁场强度C，所述第二关系为：利用第三关系确定位相厚度δ，所述第三关系为：δ＝2πNd/λ；利用第四关系确定二维材料光学导纳y，所述第四关系为：y＝H/E＝NY；利用所述位相厚度δ对所述第二关系进行近似处理得到第五关系，所述第五关系为：所述利用位相厚度δ、二维材料光学导纳y、归一化的电场强度B和磁场强度C之间的对应关系确定二维材料的吸收，包括：利用所述电场强度B、磁场强度C、所述位相厚度δ、所述二维材料光学导纳y以及第一关系确定用于表征二维材料吸收A的第六关系，所述第一关系为：所述第六关系为：其中，Y为自由空间光学导纳，y0为自由空气光学导纳，y为所述二维材料光学导纳，ym为基底光学导纳，d是二维材料厚度，λ是波长，H表示磁场强度，Eb表示出射界面电场强度，设N0＝1，N＝n-ik，Ns＝ns-iks，n表示二维材料折射率，k表示二维材料消光系数，ns表示基底折射率，ks表示基底消光系数，Ea为入射电场强度，Ha为入射磁场强度，Eb为出射电场强度，Hb为出射磁场强度，B为归一化的电场强度，C为归一化的磁场强度，i表示复数虚部。3.根据权利要求2所述的二维材料正入射菲涅尔光学表征方法，其特征在于，利用4πk/λ是吸收系数对用于表征二维...

【专利技术属性】
技术研发人员：王孝东，陈波，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22