二维纳米结构材料等离子激发的动力学模拟

Two-dimensional(2D) nanostructure materials are expected to have an impact on electronics, computing, communications, biological medicine and others, due to their unique physical characteristics. Especially, the research on the plasmon excitation in the interaction of energetic particles with 2D nanomaterials has been attracted considerable attention, in the aspect of particle probe and plasmon transducer technology. In this project, the plasmon excitation in 2D nanostructure materials, such as graphene and metal film by external charged particles will be simulated by dynamic model. We will study: 1. Based on a combination of the dielectric response theory and the molecular dynamic model, the π/π+σ plasmons in graphene by external moving charged particles will be investigated, with the different parameters: the incident velocity, the number of graphene and incident particles, the substrate and substrate gap. Then, we will compare the simulation results with that of software VASP. 2. Quantum effects in the response of excited electrons in the graphene/metal film are described by a quantum hydrodynamic model, by which the results will be compared with those of the standard hydrodynamic model. We will explore the important role of quantum effects in the plasmon excitation of 2D nanostructure materials. This project aims at making physical principle research in the theory of the plasmon excitation in nanostructure materials by energetic particles, and obtaining helpful theoretical evidences in the area of plasmonics.

二维纳米结构材料具有独特物理特性，应用范围涉及电子、计算机、通讯和生物医药等领域。特别是关于带电离子引起二维纳米材料等离子激发的研究，可以有效促进新型纳米材料中粒子探针和等离子传感等技术。本项目将动力学模拟入射离子和石墨烯、金属薄膜相互作用过程中的等离子激发现象。主要研究：1. 基于介电响应理论中的任意项近似方法和分子动力学模型，通过引入石墨烯层数、入射离子个数、不同衬底以及衬底间距等参数，研究不同运动速度的带电离子和石墨烯相互作用引起的π/π+σ等离子激发现象。并和VASP商业软件模拟结果进行对比。2. 采用量子流体动力学模型，研究石墨烯和金属膜激发电荷量子效应对等离子激发的影响，并和流体动力学模型所得结果进行对比，分析量子效应对二维纳米结构材料的重要作用。通过以上研究，探索运动带电离子引起纳米结构材料等离子激发的物理机理，为二维纳米结构材料在等离激元光子学领域的应用提供理论依据。

该项目基于拓展的流体动力学模型，建立了研究入射带电离子和二维纳米结构材料相互作用的动力学模拟方法，主要研究了运动带电离子引起二维纳米结构材料的等离子激发现象。二维石墨烯片层由于具有独特的电子结构，被认为是理想的二维纳米结构材料。该项目重点研究了运动离子引起石墨烯的等离子激发效应，理论推导并模拟分析了石墨烯等离子激发的产生机理和外部影响条件。重要研究结果包括：1. 衬底材料种类、衬底距离石墨烯高度、石墨烯内部贋磁场大小（石墨烯受不同机械外力大小）对石墨烯等离子激发效应均产生重要影响。当衬底材料距离石墨烯较近时，贋磁场对等离子激发影响较大，并且激发效应随着贋磁场大小的增加而减弱。此外，贋磁场大小还将对石墨烯上方运动带电离子的运动轨迹产生影响；2. 衬底材料的声子和石墨烯 电子不可避免的产生杂化现象，石墨烯内贋磁场大小、电荷密度等将对这一杂化现象产生影响，进而影响石墨烯的等离子激发效应。在入射离子速度小于阈值速度时，由于固体声子和 电子的杂化现象，使石墨烯在低速区产生等离子激发现象。并且，石墨烯在低速区（入射离子速度小于阈值速度）产生的等离子激发现象受贋磁场大小的增加而增强，这和在高速区（入射离子速度大于阈值速度）的情况正好相反。此外，衬底距离石墨烯高度和石墨烯电荷密度均对石墨烯在低速区的等离子激发现象产生重要影响。以上模拟结果，对于石墨烯在离子束溅射法或者EELS（电子能量损失能谱法）等实验研究中的应用提供重要参考，为其进一步在微纳电子器件中的离子束技术、纳米级离子注入、高分辨的粒子探针和等离子传感技术等方面的实际应用提供一定理论依据。