石墨烯表面等离子激发的基本性质

1、光电子系列讲座之光电子系列讲座之石墨烯石墨烯表面等离激发的基本性质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（Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation），中文名字叫做等离激元激光器 表面等离子激元Surface Plasmons 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（Surface Plasmons）是由材料

2、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。公元公元4世纪的罗马酒杯，现在藏于英世纪的罗马酒杯，现在藏于英国大不列颠博物馆国大不列颠博物馆 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，Ster

3、n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

4、面等离激元。由于石墨烯的电导率可以通过电极或掺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。元的研究中更具优势。 e-e-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：0/Enex作用在每个电子上的恢复力为-eE，电子气的运动方程为：22220d xn e xnmneEdt 22221/200()ppd xxdtne

5、m其中：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真空-金属界面的等离激元金属界面的等离激元对于满足Drude模型的金属-真空界面：2121p 21sccq222pc qBulk plasmonlightSurface plasmonp/2spRetarded regimeNon-retarded regime可得：/sqc/sqc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

6、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 3D 2D 石墨烯1/2( )pq1/2( )pq0( )pq载流子浓度关系 3D 2D 石墨烯1/2( )pn1/4( )pn1/2( )pn一般关系自由电子气模型下（Drude模型 in SI）0122=1+ 0222=1+ 1220()pnem1220()nem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