石墨烯等離激元受激發射太赫茲量子振盪源

《石墨烯等離激元受激發射太赫茲量子振盪源》是依託蘇州大學，由王雪峰擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：石墨烯等離激元受激發射太赫茲量子振盪源
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：王雪峰
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

在信息領域極有套用價值的太赫茲電磁振盪由於源器件的缺乏而長期得不到使用，隨著信息技術在國民經濟中地位的日益高漲，製作高質量太赫茲波源已成為各國競相發展的目標。最近發現的單層和雙層石墨烯材料有非常特殊性質，被認為能成為未來新型電子器件的主要材料。石墨烯中等離激元單量子態的能量在太赫茲區域，而且預計能被用來實現高質量的太赫茲量子振盪器。將等離激元振盪即電荷密度振盪輸出則可得到太赫茲波輻射。我們將拓展自己在石墨烯等離激元單量子態及其相互作用和二維電子氣光電與輸運性質研究方面的優勢，研究在非平衡熱狀態下單層、雙層、及間隙石墨烯材料中等離激元單量子態和電子空穴對單量子態的物理性質及它們之間的相互作用，還有它們與光量子態的相互作用等。主要目的是在各種石墨烯材料中尋找實現導帶價帶粒子數反轉、等離激元受激發射、及太赫茲量子振盪輸出的最優技術。

結題摘要

石墨烯自被發現以來就受到不同領域學者的廣泛關注，類石墨烯二維材料也同時獲得蓬勃發展。在信息領域極有套用價值的太赫茲波由於源器件的缺乏而長期得不到使用。尋找新材料和方法來獲得能在室溫下工作的微納尺寸太赫茲波源已成為各國競相發展的目標。本項目中我們計算了石墨烯單層和雙層二維材料的等離激元譜、等離激元與單粒子激發的相互作用以及石墨烯和類石墨烯材料中的光電輸運性質，並探索了用這些材料製作太赫茲源器件以及其它一些具有重要套用前景器件的可能性。首先，基於單層石墨烯等離激元的模型，我們建立了通過柵壓控制層間電荷分布的二維雙層石墨烯等離激元計算模型。採用無規相近似獲得了雙層石墨烯中的等離激元譜以及等離激元與單粒子激發相互作用的物理特性。雙層石墨烯的帶隙以及價帶頂和導帶底的態密度隨柵壓增加，在一定條件下出現一支能被柵壓精確控制的等離激元譜。這些等離激元的能量在meV量級，對應的頻率正好在THz附近。這些可控的等離激元具有接近於零的群速度，在該系統中的增益容易大於損耗並產生受激振盪，因此有可能實現在室溫下輸出相應頻率的THz輻射。其次我們建立了一維單層和雙層石墨烯納米帶計算模型，包括用於理論分析的緊束縛和Hubbard模型以及用於進行基於第一性原理計算模擬的原子結構模型。基於這些模型我們系統地研究了一維鋸齒型納米帶中的電子輸運特性，包括光電導、光吸收譜、自旋電子輸運以及偏壓下的非線性I-V特性。我們發現石墨烯納米帶對不同偏振的入射光表現出明顯的各向異性。當通過柵壓改變化學勢，使納米帶偏離中性區時，納米帶的邊緣態磁性被抑制，並表現出金屬特性。這時低頻率光的吸收得到很大的增強，因此可以通過柵壓對納米帶的光學性質進行調製。另外我們發現在鋸齒型納米帶邊緣進行替代摻雜可以極大地改變電輸運特性，並被用來製備新型電子器件，如其特殊的自旋負微分電阻現象可能被用來製作高頻自旋振盪器件。最後，我們將對石墨烯的研究擴展到類石墨烯二維材料。研究了Bi2Se3拓撲絕緣體薄膜、矽烯納米帶和石墨炔納米帶等材料中的電子輸運特性，並探討將這些材料用於製作新型電子器件的可能性。我們還研究了碳原子鏈連線石墨烯的電輸運特性，提出可用於製作包括高性能電流或自旋整流器、自旋過濾器和高頻振盪器等的結構。由於在實驗上製作高質量的可靠石墨烯電子器件在目前還有較大的難度，我們沒能按計畫將自己的理論結果與實驗結果進行直接的比較。