石墨烯和石墨炔納米結構的量子等離子激發

《石墨烯和石墨炔納米結構的量子等離子激發》是依託同濟大學，由柯三黃擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯和石墨炔納米結構的量子等離子激發
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：柯三黃
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

光場下納米結構中載流子的集體震盪形成表面等離子共振（SPR），它能把電磁場能量約束在小於光波長的納米尺度，使其強度增大幾個數量級，因而在非線性光學、單分子檢測、納米尺度光俘獲等領域有著廣泛的套用前景。10nm以上體系的SPR一般可用經典電動力學描述，但在10nm以下，由於分立能級和量子效應的浮現，SPR需要全量子力學的描述。最近石墨烯二維等離子被發現具有比貴金屬等離子更好的特性，如高度的可調性、低的損耗、大的振子強度。但進入10nm以下的量子區域，人們對其等離子特性還知之甚少，甚至不清楚其是否具有規則的等離子行為。對於最近發現的具有Dirac錐的石墨炔，也可以提出同樣的問題。本項目將採用全量子力學模擬，系統地研究石墨烯和石墨炔納米結構中的量子等離子激發，得出其物理特性及與經典行為的差異，分析其受尺寸、形狀、原子構形、和化學摻雜的影響，得出具有規則激發行為的結構，為以後的套用提供理論基礎。

結題摘要

在低維納米結構中，光場下的載流子的集體震盪形成表面等離子共振（SPR），它能把電磁場能量約束在小於光波長的納米尺度，使其強度增大幾個數量級，因而在非線性光學、單分子檢測、納米尺度光俘獲等領域有著廣泛的套用前景。10nm 以上體系的SPR 一般可用經典電動力學描述，但在10nm 以下，由於分立能級和量子效應的浮現，SPR 需要全量子力學的描述。最近石墨烯二維等離子被發現具有比貴金屬等離子更好的特性，如高度的可調性、低的損耗、大的振子強度。但進入10nm 以下的量子區域，人們對其等離子特性還知之甚少，甚至不清楚其是否具有規則的等離子行為。另外，受石墨烯發現的推動，近年來，人們也發現了各種碳基和非碳基的二維類石墨烯納米結構，對於這些二維納米結構，人們也可以提出同樣的問題。本項目採用全量子力學模擬，系統地研究了石墨烯和二維類石墨烯納米結構的電子性質及量子等離子激發，得出了其物理特性及與經典行為的差異，分析了其受尺寸、形狀、原子構形、靜電摻雜、和化學摻雜的影響，為以後的器件研發和套用提供了理論基礎。研究的主要內容和結果包括：（1）不同大小、形狀、摻雜、和激發方向的石墨烯納米帶片段的量子等離激子激發。發現其具有規則的SPR行為，並在0-1.5eV能量視窗存在一個SPR共振峰，當體系的寬度大於~1.5 nm時，頻率隨著寬度的變化近似滿足於經典的靜電標度律，而當尺寸小於~1.5 nm時，則顯示出完全不同的量子行為。結果也揭示出石墨烯納米帶片段中的plasmon 是近自由電子的 plasmon，而不是Dirac plasmon；（2）石墨烯對雙金納米顆粒的等離激發行為及其耦合的調製。得出了不同激發方向以及不同間距下的調製效應；（3）發現了一種新的更穩定的二維類石墨烯結構lipentoctahexatite，並對不同大小、形狀、摻雜、激發方向的納米結構的等離子激發進行了研究，發現了其與石墨烯納米結構完全不同的行為；（4）對其他數種二維非碳基類石墨烯結構的電子性質和電子激發進行了計算研究，發現了它們在不同方面的可能套用。