石墨烯表面等離子激發(fā)的基本性質PPT

1、光電子系列講座之光電子系列講座之石墨烯石墨烯表面等離激發(fā)的基本性質表面等離激發(fā)的基本性質2019.6研究背景 衍射極限 納米激光器spaser（Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation），中文名字叫做等離激元激光器 表面等離子激元Surface Plasmons 表面等離激元光子學Plasmonics金屬衍射極限：波不能聚焦在小于波長一半的地方表面等離子波的波長遠小于激發(fā)它的電磁波波長激發(fā)表面等離子波納米激光器原理表面等離激元和Plasmonics 表面等離激元（Surface Plasmons）是由材料

2、體系費米面附近電子躍遷所形成的特殊電磁場行為，表現(xiàn)為金屬、介質界面電子的集體振蕩，具有電磁場增強效應、熱吸收效應等，可應用于傳統(tǒng)納米尺度光電子器件，并有效增強其光電特性。 表面等離激元光子學(Plasmonics)在現(xiàn)代光電器件的發(fā)展中起到日益增強的重要應用，可望用于提高電子器件的運算速度及克服光子器件的尺寸瓶頸。公元公元4 4世紀的羅馬酒杯，現(xiàn)在藏于英世紀的羅馬酒杯，現(xiàn)在藏于英國大不列顛博物館國大不列顛博物館 煉金術士們在幾千年前就已經(jīng)不經(jīng)意地摻雜金屬物質，通過plasmonics的效應來制作有顏色的酒杯 表面等離激元1957年，Ritchie第一次提出“金屬等離子體”的概念1958年，St

3、ern和Farrell首次提出表面等離子體(SP)的概念并對 SP 模式諧振條件進行了研究1960年，Powell 和Swan 在實驗中觀察到金屬表面等離激元的激發(fā)1968年，Otto和Kretschmann各自提出一種棱鏡耦合的方法激發(fā)表面 等離激元近年來，隨著微納加工技術的飛速發(fā)展，關于SPP的研究在波導結構、 微腔結構和SPP激光器等方向均得到了突破性的進展。 表面等離激元 通過調(diào)整金屬表面結構可以實現(xiàn)對表面等離激元的調(diào)制，進而實現(xiàn)對入射光波的調(diào)控，這種可調(diào)控性以及光波表面等離激元的相互耦合轉換性質使其在亞波長光子器件的應用方面極具潛力。 此外，近年來人們發(fā)現(xiàn)光在新型材料石墨烯表面也能激

4、發(fā)表面等離激元。由于石墨烯的電導率可以通過電極或摻由于石墨烯的電導率可以通過電極或摻雜等方式靈活調(diào)控，因此相比于金屬，石墨烯在表面等離激雜等方式靈活調(diào)控，因此相比于金屬，石墨烯在表面等離激元的研究中更具優(yōu)勢。元的研究中更具優(yōu)勢。 e-e-等離激元：起源于電子間的長程庫倫相互作用微觀尺度上電子密度的起伏：電子氣體相對于正離子背景的集體振蕩 !e-e-納米顆粒中的電子氣的集體振蕩類比例子：容器中水波的振蕩設電子氣相對與正電背景的位移為x，則產(chǎn)生的電場為：0/Enex作用在每個電子上的恢復力為-eE，電子氣的運動方程為：22220d xn e xnmneEdt 22221/200()ppd xxdt

5、nem其中：對應于頻率為 p的簡諧振動的運動方程！在量子理論中，其振蕩的能量p是量子化的，其能量量子稱為等離激元。等離激元的經(jīng)典描述表面等離激元局域在表面（界面）附近的電子密度振蕩振蕩波沿著表面方向傳播真空真空- -金屬界面的等離激元金屬界面的等離激元對于滿足Drude模型的金屬-真空界面：2121p 21sccq222pc qBulk plasmonlightSurface plasmonp/2spRetarded regimeNon-retarded regime可得：/sqc/sqc群速：d / dk傳統(tǒng)plasmonics領域：貴金屬 金和銀 對金屬要求：光學電導率實部較大，虛部較??；

6、磁導率實部較小；歐姆損耗較小 金和銀的問題：磁導率實部較大；與硅工藝不相容；光學性質可調(diào)性小；可見光和近紅外表現(xiàn)好石墨烯特點石墨烯特點 石墨烯：高透明度，適合做ITO那樣的電極 光學電導率可調(diào)光學電導率可調(diào)； 中遠紅外（遠紅外即太赫茲段THz）， 歐姆損耗較小， 等離子波壽命長長波極限下色散關系 3D 2D 石墨烯1/2( )pq1/2( )pq0( )pq載流子濃度關系 3D 2D 石墨烯1/2( )pn1/4( )pn1/2( )pn一般關系自由電子氣模型下（Drude模型 in SI）0122=1+ 0222=1+ 1220()pnem1220()nem金屬和石墨烯的差別 金屬Intraband 碳納米管Intrabandinterband 石墨烯同碳納米管金