自从石墨烯材料被真正发现以来,其所具有的二维的原子结构与独特的物理性质得到了科研人员持续的关注。单层石墨烯能带结构中的导带与价带在狄拉克点处相交,狄拉克点附近的能量色散关系呈线性分布,载流子表现为无质量的狄拉克费米子性质。这种特殊的电子能带结构决定了它具有优异的电学性质,如常温下表现出极高的载流子迁移率等,使其在微纳电子学应用领域具有极大的吸引力。在光学领域石墨烯也表现出特殊的性质,如在可见到红外的宽波长范围具有稳定的高透过率,在红外甚至太赫兹波段能够激发具有低损耗、可调谐、高度场局域特性的表面等离激元,使得石墨烯在微纳光电器件中的应用受到了人们的高度重视。近年来对基于石墨烯表面等离激元机制的器件的研究,已经成为探索石墨烯光电器件应用的热点之一。最新的研究表明,石墨烯与不同衬底材料的结合有可能进一步提升其性能甚至产生意想不到的新的物理性质。然而目前的相关研究多集中于对石墨烯与硅基材料相结合应用于微纳电子器件或光电器件的探索,对石墨烯与光电绝缘衬底结合的研究十分有限。光电绝缘材料本身具有优秀的光学或光电特性,尤其是类钙钛矿结构的铌酸锂(LiNbO3)晶体在光学领域得到了广泛的应用,并因其在光学器件材料中的关键地位被称为光学“硅”材料。一些理论研究的结果表明石墨烯与LiNbO3晶体的结合可以影响石墨烯中载流子的性质,改变石墨烯周围的静电环境导致其零带隙的打开,这将产生新的光电性质,预示着在光电探测、传感和光学存储等领域巨大的应用潜力。但目前有关石墨烯与LiNbO3晶体结合的探索主要局限于理论研究,相应的实验验证鲜有报道。基于这一出发点,本文中探索了石墨烯与LiNbO3晶体结合的新方法,并结合理论模拟对石墨烯-LiNbO3复合结构的光学性质进行了实验研究,为实现石墨烯-LiNbO3结构在光电器件中的广泛应用提供了理论支持和实验依据。本论文的研究可以分为LiNbO3晶体表面制备石墨烯新方法与石墨烯-LiNbO3结构界面光学性质研究两个部分。在对LiNbO3晶体表面制备石墨烯新方法的研究中,实现了微米级石墨烯与LiNbO3晶体的直接结合,分析了石墨烯合成的物理机制。在对石墨烯-LiNbO3结构的实验研究中发现,在石墨烯和扭转石墨烯与LiNbO3结合的复合结构中,石墨烯表面等离激元与波导模及法布里-珀罗(F-P)腔模的耦合可以在红外区域实现对LiNbO3波导的光学调制,在宽的红外波段表现出光学吸收的显著增强。这种耦合作用还表现在通过调节石墨烯层间的扭转角对复合结构的介电和光学性质进行调制。本文主要内容和实验结果如下:1.通过C离子注入,在LiNbO3晶体表面直接制备合成了乱层石墨烯结构。C离子以30 keV的能量、(2~10)× 1015/cm2的剂量注入LiNbO3薄膜和块状晶体,在500℃~700℃的退火条件下,经过C原子的扩散、偏析和沉淀,在LiNbO3晶体表面成键,形成C原子sp2杂化的石墨烯结构。我们利用拉曼光谱表征了不同注入剂量、不同退火条件下乱层石墨烯的合成情况;利用扫描电子显微镜和能谱仪观察了乱层石墨烯结构的形貌及其在LiNbO3表面的分布。乱层石墨烯的形成与C原子的扩散行为以及LiNbO3晶体的晶格缺陷密切相关,而两者又对退火条件极其敏感。这种C离子直接注入LiNbO3晶体的方法为微电子器件中石墨烯-LiNbO3结构的集成提供了一种新途径。2.将大尺寸石墨烯与LiNbO3薄膜晶体相结合,构建了石墨烯-LiNbO3复合结构,通过原子力显微镜、拉曼光谱等手段对石墨烯进行表征,并利用棱镜耦合系统研究了复合结构的光学波导特性。与单纯LiNbO3薄膜结构相比,石墨烯-LiNbO3薄膜复合结构中由于石墨烯在LiNbO3衬底的低透过率,使得反射光谱中的反射率呈现整体降低;1540 nm激发波长下,复合结构平面波导的导模有效折射率增加0.061,排除石墨烯材料本身的的影响,这种增大与红外辐照下石墨烯-LiNbO3界面的表面等离激元激发有关。基于石墨烯对波导折射率的影响,设计了一个石墨烯分支波导结构;模拟结果显示,这种波导结构具有良好的分束和导光特性。石墨烯-LiNbO3薄膜复合结构的制备与光电集成工艺兼容,对构建新型光电集成器件具有重要意义。3.将石墨烯与LiNbO3-SiO2衬底相结合,构建了一种基于石墨烯-LiNbO3界面表面等离激元作用的吸收增强结构。通过原子力显微镜、拉曼光谱等技术对石墨烯进行表征;利用衰减全反射(ATR)技术研究石墨烯-LiNbO3-SiO2复合结构的红外光谱,结果发现该结构在频率为500~4000 cm-1的光谱范围内展现出非凡的吸收增强特性,最大吸收效率可达90%以上。分析表明这种吸收增强来源于LiNbO3-SiO2 F-P腔中光传输模式以及LiNbO3平面波导中导模模式与石墨烯-LiNbO3界面处表面等离激元之间的耦合共振,而且随着环境温度升高,耦合共振增强会导致吸收率进一步提高。该石墨烯-LiNbO3-SiO2复合结构与通常的石墨烯表面等离激元吸收增强结构相比,具有设计简单、容易制作的特点,为新型石墨烯表面等离激元器件的发展提供了实验和理论支持。4.双层石墨烯的物理特性与单层石墨烯显著不同,尤其是当两个石墨烯层相对旋转一定的角度时,会彻底改变本征双层石墨烯的原子排列与能带结构。我们在LiNbO3薄膜衬底上构建了无层间旋转的双层石墨烯与90°旋转角的扭转双层石墨烯,通过光学显微镜、拉曼光谱等进行表征,利用棱镜耦合技术测量该结构的光学波导性质,从而研究不同石墨烯结构与可见及近红外辐射光的相互作用。结果发现双层石墨烯与扭转双层石墨烯分别与LiNbO3构成的复合结构表现出不同的导模特性以及对入射光不同的偏振响应,这与两种双层石墨烯结构的介电性质有关。对理想情况下两种石墨烯结构的能带分布进行了计算模拟,结果与两种复合结构对近红外入射光的光学吸收相吻合,为进一步分析实验结果提供了理论基础。此外在近红外辐照条件下,复合结构中石墨烯-LiNbO3界面处激发的表面等离激元与波导模式的耦合,可以使结构中导模的传输效率增强。本文对大角度扭转双层石墨烯的研究发现,进行层间大角度旋转能够有效调制其介电特性与光学性质,这是对目前扭转石墨烯研究热点的重要补充,同时对拓展石墨烯在光电集成器件方面的应用也具有重要意义。