石墨烯等离激元受激发射太赫兹量子振荡源

在信息领域极有应用价值的太赫兹电磁振荡由于源器件的缺乏而长期得不到使用，随着信息技术在国民经济中地位的日益高涨，制作高质量太赫兹波源已成为各国竞相发展的目标。最近发现的单层和双层石墨烯材料有非常特殊性质，被认为能成为未来新型电子器件的主要材料。石墨烯中等离激元单量子态的能量在太赫兹区域，而且预计能被用来实现高质量的太赫兹量子振荡器。将等离激元振荡即电荷密度振荡输出则可得到太赫兹波辐射。我们将拓展自己在石墨烯等离激元单量子态及其相互作用和二维电子气光电与输运性质研究方面的优势，研究在非平衡热状态下单层、双层、及间隙石墨烯材料中等离激元单量子态和电子空穴对单量子态的物理性质及它们之间的相互作用，还有它们与光量子态的相互作用等。主要目的是在各种石墨烯材料中寻找实现导带价带粒子数反转、等离激元受激发射、及太赫兹量子振荡输出的最优技术。

石墨烯自被发现以来就受到不同领域学者的广泛关注，类石墨烯二维材料也同时获得蓬勃发展。在信息领域极有应用价值的太赫兹波由于源器件的缺乏而长期得不到使用。寻找新材料和方法来获得能在室温下工作的微纳尺寸太赫兹波源已成为各国竞相发展的目标。本项目中我们计算了石墨烯单层和双层二维材料的等离激元谱、等离激元与单粒子激发的相互作用以及石墨烯和类石墨烯材料中的光电输运性质，并探索了用这些材料制作太赫兹源器件以及其它一些具有重要应用前景器件的可能性。首先，基于单层石墨烯等离激元的模型，我们建立了通过栅压控制层间电荷分布的二维双层石墨烯等离激元计算模型。采用无规相近似获得了双层石墨烯中的等离激元谱以及等离激元与单粒子激发相互作用的物理特性。双层石墨烯的带隙以及价带顶和导带底的态密度随栅压增加，在一定条件下出现一支能被栅压精确控制的等离激元谱。这些等离激元的能量在meV量级，对应的频率正好在THz附近。这些可控的等离激元具有接近于零的群速度，在该系统中的增益容易大于损耗并产生受激振荡，因此有可能实现在室温下输出相应频率的THz辐射。其次我们建立了一维单层和双层石墨烯纳米带计算模型，包括用于理论分析的紧束缚和Hubbard模型以及用于进行基于第一性原理计算模拟的原子结构模型。基于这些模型我们系统地研究了一维锯齿型纳米带中的电子输运特性，包括光电导、光吸收谱、自旋电子输运以及偏压下的非线性I-V特性。我们发现石墨烯纳米带对不同偏振的入射光表现出明显的各向异性。当通过栅压改变化学势，使纳米带偏离中性区时，纳米带的边缘态磁性被抑制，并表现出金属特性。这时低频率光的吸收得到很大的增强，因此可以通过栅压对纳米带的光学性质进行调制。另外我们发现在锯齿型纳米带边缘进行替代掺杂可以极大地改变电输运特性，并被用来制备新型电子器件，如其特殊的自旋负微分电阻现象可能被用来制作高频自旋振荡器件。最后，我们将对石墨烯的研究扩展到类石墨烯二维材料。研究了Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜、硅烯纳米带和石墨炔纳米带等材料中的电子输运特性，并探讨将这些材料用于制作新型电子器件的可能性。我们还研究了碳原子链连接石墨烯的电输运特性，提出可用于制作包括高性能电流或自旋整流器、自旋过滤器和高频振荡器等的结构。由于在实验上制作高质量的可靠石墨烯电子器件在目前还有较大的难度，我们没能按计划将自己的理论结果与实验结果进行直接的比较。