利用时域有限差分法研究狄拉克量子体系中的类光输运行为

Dirac quantum system such as the graphene, has a very high electron mobility. However, the band gap of graphene is zero. The on-off ratio of graphene field-effect transistor is small, which limits its application. In this project, the light-like carriers transport in Dirac quantum system is studied by using the finite difference time domain method. By analogy with the integrated optics, we can design the integratable light-like devices. We will build the integrated circuits by using light-like transport rather than traditional field-effect transistor. In this project, by using the same routine as the optical waveguide and photonic crystal in integrated optics, we will explore the electron, spin, and pseudospin band structure and transport in the light-like waveguide and photonic crystal. We will study the influence of the external electric field, light field, stress field (pseudo-magnetic field), and magnetic field on the light-like transport in the light-like waveguide and photonic crystal. Especially, we will investigate how the external field affect the carriers transport time, and build the integrated circuits based on the transport time rather than the transmittance of traditional field-effect transistor. We will also investigate slow electron, spin, and pseudospin in the light-like waveguide and photonic crystal, and design the buffer and storage devices based on the slow carriers.

石墨烯为代表的Dirac量子体系，具有极高的电子迁移率。然而，石墨烯带隙为0，场效应管的开关比较小，从而限制了其应用。对此，本项目将利用时域有限差分方法研究Dirac量子体系中的类光输运行为，类比集成光路，设计可集成的新颖类光输运器件，探讨利用类光输运而不是传统场效应管来构建集成回路。具体的研究内容包括：类比集成光路中的光波导和光子晶体，研究类光波导、类光子晶体中电子、自旋、赝自旋的能带结构和输运行为；外加电场、光场、应力场（赝磁场）、磁场等对类光波导、类光子晶体中输运行为的调控作用，特别是对载流子输运时间的调控作用，并探讨基于输运时间而不是透射率的可集成回路；研究类光波导、类光子晶体中超慢电子、自旋、赝自旋，探讨利用超慢载流子实现缓存和存储器件。

在本项目的执行期内，主要研究了光学微结构中的局域光场对二维材料中电子输运和光学性能的影响、二维材料微机械系统及其对二维材料光电性能的影响、二维量子体系中的电子的类光输运及其应用等。.获得的主要研究成果有：1. 研究了通过利用光学微结构来增强二维材料与光的相互作用。研究发现，将石墨烯-二硫化钼光伏电池与楔形微腔陷光结构、分光系统相结合，可以使其在广谱范围内达到70%左右的光吸收率。且这种结构具有较低的自发辐射损耗，二维材料异质结光伏电池的最大效率相比于传统电池可提高10%左右。2.研究发现光可以驱动磁悬浮的石墨。通过光在光滑磁体表面的干涉来调节石墨在不同位置处的光吸收，以及石墨磁化率随光吸收率的线性变化来构建了一个周期性力场，从而驱动石墨周期性振动。3. 为了提高光与二维材料机械振动耦合效率，我们将超润滑引入到二维材料微机械系统，提出了一种基于石墨烯的微纳机电系统电光调制。得益于机械调控机制和石墨烯在广谱波长范围内的均匀吸收，调制波长范围在1.5微米以上。此外，由于石墨烯极小的面密度和超润滑，调制电压低至0.18V；调制响应速度可以达到纳秒量级。4. 将红、绿、蓝三原色的多模微腔和石墨烯结合起来，通过电压调制石墨烯偏转，从而在一个像素上呈现三原色及其混合色。从而可以用于高分辨率、高帧率的色彩显示调制。5.研究发现，由于石墨烯中的类光输运波长更短，基于石墨烯类光输运的类光子晶体和类光子晶体微腔的尺寸比相同能量的光子晶体的尺寸小2个量级以上，这可以极大的提高类光子器件的可集成度。改变类光子晶体中某个区域的电场，即可将类光子晶体转换为类光子晶体微腔，因而这种类光微结构是一种可编程的类光子器件。.项目组成员在此项目资助下已经发表了12篇SCI收录的学术论文，其中一区论文2篇，2区论文2篇，授权国家发明专利6项，获江西省自然科学奖一等奖（个人排名第二），贵州省青年科技奖。