石墨烯表面等离子激发的基本性质.ppt

光电子系列讲座之石墨烯表面等离激发的基本性质2019 6 研究背景 衍射极限纳米激光器spaser Surfaceplasmonamplificationbystimulatedemissionofradiation 中文名字叫做等离激元激光器表面等离子激元SurfacePlasmons表面等离激元光子学Plasmonics 金属 衍射极限 波不能聚焦在小于波长一半的地方 表面等离子波的波长远小于激发它的电磁波波长 激发表面等离子波 纳米激光器原理 表面等离激元和Plasmonics 表面等离激元 SurfacePlasmons 是由材料体系费米面附近电子跃迁所形成的特殊电磁场行为 表现为金属 介质界面电子的集体振荡 具有电磁场增强效应 热吸收效应等 可应用于传统纳米尺度光电子器件 并有效增强其光电特性 表面等离激元光子学 Plasmonics 在现代光电器件的发展中起到日益增强的重要应用 可望用于提高电子器件的运算速度及克服光子器件的尺寸瓶颈 公元4世纪的罗马酒杯 现在藏于英国大不列颠博物馆 炼金术士们在几千年前就已经不经意地掺杂金属物质 通过plasmonics的效应来制作有颜色的酒杯 表面等离激元 1957年 Ritchie第一次提出 金属等离子体 的概念1958年 Stern和Farrell首次提出表面等离子体 SP 的概念并对SP模式谐振条件进行了研究1960年 Powell和Swan在实验中观察到金属表面等离激元的激发1968年 Otto和Kretschmann各自提出一种棱镜耦合的方法激发表面等离激元近年来 随着微纳加工技术的飞速发展 关于SPP的研究在波导结构 微腔结构和SPP激光器等方向均得到了突破性的进展 表面等离激元 通过调整金属表面结构可以实现对表面等离激元的调制 进而实现对入射光波的调控 这种可调控性以及光波 表面等离激元的相互耦合转换性质使其在亚波长光子器件的应用方面极具潜力 此外 近年来人们发现光在新型材料 石墨烯表面也能激发表面等离激元 由于石墨烯的电导率可以通过电极或掺杂等方式灵活调控 因此相比于金属 石墨烯在表面等离激元的研究中更具优势 等离激元 起源于电子间的长程库伦相互作用 微观尺度上电子密度的起伏 电子气体相对于正离子背景的集体振荡 e e 纳米颗粒中的电子气的集体振荡 类比例子 容器中水波的振荡 设电子气相对与正电背景的位移为x 则产生的电场为 作用在每个电子上的恢复力为 eE 电子气的运动方程为 对应于频率为 p的简谐振动的运动方程 在量子理论中 其振荡的能量 p是量子化的 其能量量子称为等离激元 等离激元的经典描述 表面等离激元 局域在表面 界面 附近的电子密度振荡 振荡波沿着表面方向传播 真空 金属界面的等离激元 对于满足Drude模型的金属 真空界面 Bulkplasmon light Surfaceplasmon Retardedregime Non retardedregime 可得 群速 d dk 传统plasmonics领域 贵金属金和银 对金属要求 光学电导率实部较大 虚部较小 磁导率实部较小 欧姆损耗较小金和银的问题 磁导率实部较大 与硅工艺不相容 光学性质可调性小 可见光和近红外表现好 石墨烯特点 石墨烯 高透明度 适合做ITO那样的电极光学电导率可调 中远红外 远红外即太赫兹段THz 欧姆损耗较小 等离子波寿命长 长波极限下色散关系 3D2D石墨烯 载流子浓度关系 3D2D石墨烯 一般关系 自由电子气模型下 Drude模型inSI 金属和石墨烯的差别 金属Intraband碳纳米管Intrabandinterband石墨烯同碳纳米管 金属和