石墨烯系统电致发光研究

Graphene, a two-dimensional one atom thick allotrope of carbon, holds the promise for building advanved nano-optoelectronic devices, due to its unique electronic structure and properties. In particular, electrically biased graphene can be used as light emission in the visible range. Previously we have investigated the optoelectronic properties of graphene. In this research project, we will study on the transport properties of graphene in the presence of high driving fields based on quantum theory. We intend to develop a detailed theoretical model to explain the electrons properties, especially the hot electrons spatially localized. We would like to present a theoretical study of the light emission from the electrically biased graphene in order to explian the deeply physical reasons of the light emission from hot electrons. In the project, we hope to develop a more precise theoretical model to explain the electroluminescent of graphene system. Furthermore, we hope that the research project could shed some light on the applications of graphene not only as an broadband and adjustable frequency optical device but also as novel transparent and flexible nano light eimitters.

石墨烯是二维相对论费米子系统，由于独特的电子结构和光电学性质，在基础科学、光电材料和器件等领域拥有十分重要的研究和应用价值。目前石墨烯在偏压电场下的电致发光和制备发光器件的研究取得了重大的实验研究进展[如Nature Nanotechno. 10, 676(2015)]。申请者长期从事石墨烯光电特性的研究工作，在此研究基础之上本项目将从量子理论出发建立完善的理论模型研究石墨烯高场非线性电输运性质以及热输运性质；揭示高场时石墨烯电子空间局域化的原因；并将发展系统的量子理论模型研究石墨烯热电子发光特性，详细研究并理解该系统发光的物理原因，并结合实验进行验证。本项目希望建立系统的量子理论解释偏压电场调制的石墨烯电致发光机理，探索利用石墨烯实现电场调控频率可调的发光的方法，为石墨烯外场调控的发光实验研究和实际应用提供理论依据和研究思路。

单层碳原子厚的石墨烯具有独特的电子和光学性质，使其在现代光电科学和器件领域拥有十分重要的研究价值。基于石墨烯在电场控制下的发光研究和制备发光器件的研究取得了重大的研究进展，本项目系统研究了石墨烯系统在强场下的非线性光电特性，研究了石墨烯热电子的电子性质，以及发光特性。发展了量子理论模型，研究了无衬底独立存在的石墨烯的电致发光性质，研究详细揭示了石墨烯高场电致发光机理和调控机制。研究并解释了强外场下的石墨烯等系统非线性光学性质。通过建立自洽模型，分析得到了石墨烯在外加偏压电场下的光学系数的解析表达式，该表达式能够很好的解释和理解相应的实验结果。研究表明石墨烯系统的光学性质能够被外加的门电压以及外加的偏压输运电场有效的调节。研究发现外界磁场强度增加，石墨烯量子点系统的能谷内的激子将转变成能谷间的激子。外界磁场强度增大，两种石墨烯量子点的激子束缚能并不会增加。两种激子的光学跃迁可以通过外界的磁场进行调节，谷依赖的激子跃迁能够在石墨烯量子点系统实现。发展了光栅型的石墨烯太赫兹发光器件模型，利用该模型可以实现电场调控的热电子发射等离激元，其频率从太赫兹到红外区。通过外加电场，可以有效的调控该等离激元的发射。发展了基于石墨烯-电介质系统的超结构器件，可以实现两种耦合可调的表面等离激元极子。其中光学型的耦合表面等离激元极子可以用来有效的发射太赫兹光，而且能够被外电场有效的调控，比传统的表面等离激元结构更有优势。这些研究一方面有助于深入理解石墨烯独特的光电性质，另一方面也为实验研究提供必要的理论基础，为深入研究和发展石墨烯光电器件，尤其是太赫兹器件打下了良好的研究基础。