新型低维材料表面等离激元光电特性研究

In this application, we combine the plasmonic nanostructures with the new low dimensional semiconductor materials, and pattern the plasmonic nano-antenna with the graphene monolayer by using modern nanofabrication methods to obtain the various resonance wavelength and field enhanced heterostructures. By using near-field optical microscopy, transient absorption spectroscopy and other approaches, the plasmonic enhanced graphene photodetector can be characterized. The proposed plasmonic nano-antenna/graphene heterostructure has the following advantages: 1) with the plasmonic hybridization theory, one can predict and design the plasmon resonance with high absorption cross section at different optical frequency with individually incident light polarization state; 2) for the plasmonic nano-antenna/graphene heterostructure, the generated plasmonic hot electrons with the graphene high mobility, can realize the hot electron vertical tunneling; 3) by applying the gate voltage, the carrier density of the heterostructure system can be effectively tuned, and realize a n-type doing effect, which can be further used for the investigation of interface plasmonic dynamic charge transfer process.

本申请创新性地结合表面等离激元纳米结构和新型低维半导体材料，拟利用现代微纳加工技术，设计并制备不同波段、具有场增强效应的垂直型金属纳米天线石墨烯复合结构。利用近场光学、瞬态吸收谱等实验手段对其进行表征，实现表面等离激元增强型石墨烯光电探测及表征。申请人提出的垂直型金属纳米天线石墨烯复合结构，其优点有：1）利用表面等离激元杂化理论，可预测并设计不同波段的增强共振、高吸收截面的金属纳米团簇结构，使其具有探测波长可选择、入射光强和偏振可操控等特性；2）设计制备金属纳米天线石墨烯复合结构，通过金属纳米天线的表面等离激元共振吸收所产生的热电子，结合石墨烯碳单层的高电子迁移率特性，获得等离激元热电子的遂穿光电流探测；3）利用外加门电压对石墨烯载流子浓度及费米能级的调制，结合金属表面等离激元热电子，获得对石墨烯碳单层的n型电掺杂的动态调控，并进一步实现对等离激元界面能量转移等物理过程的研究。

本项目研究了基于表面等离激元杂化理论的金属纳米结构对新型低维半导体材料特性的调控。一方面，我们设计并制备出等离激元纳米天线和石墨烯的垂直型复合结构，通过外加电压等方法，实现对石墨烯的能带结构调控与光电探测器件应用。另一方面，我们还研究了过渡金属硫化物系列的二维材料，利用暗场显微、瞬态吸收谱等实验手段对其进行表征，构造异质结结构，分析其界面动力学过程。自2016年立项以来，本项目在表面等离激元纳米结构的共振增强、模式选择和对低维材料的光电性质调控等方面取得了系列成果，实现了等离激元纳米天线结构的电磁共振模式分析，利用金属结构的热电子，动态调控低维材料的掺杂特性，增强其光电探测性能。在发表论文方面，课题负责人作为通讯作者发表包括Chemical Reviews, Physical Review Letters, Advanced Materials, ACS Nano等学术期刊论文29篇，申请并授权专利5项，初步建立在这一学术领域内的国际学术声誉，获得基教育部自然科学二等奖，成为该研究方面的青年学术带头人，开展了广泛的国际课题组之间的合作和联系，达到国际领先水平。