非对称耦合石墨烯带中的经典与量子等离激元杂化效应及其应用研究

In contrast to traditional metallic plasmons, graphene plasmons posses highly controllability, extreme localization of electromagnetic field, better crystallinity and lower loss, which are ideal supporters to sustain plasmons in mid-infrared and terahertz range. Studies have shown that coupled graphene structure can effectively control the optical spectra due to the enhanced interaction of light and matter. However, the theory of hybridizations especially the quantum hybridizations of graphene plasmons is very immature, which limits the application of coupled graphene device on the research of Mid-infrared spectra. In this project, we will adopt the asymmetric coupled graphene ribbon pairs to actively control the Mid-infrared spectra. Analyzing the hybridization mechanism of coupled modes and its effects on the controlling of Mid-infrared spectra. Firstly, we will investigate the classical hybridization mechanism in coupled graphene ribbon pair, and explore the influence on the Mid-infrared spectra. Secondly, we will investigate the quantum hybridization mechanism with considering of quantum confinement effect. Thirdly, several kinds of device for controlling the Mid-infrared spectra will be designed and optimized base on the plasmon hybridization theory. The project will solve the key problem of control of optical spectra in Mid-infrared range by coupled graphene ribbons. Not only to contribute to illustrate the theory of interaction between light and collective oscillation in graphene, but also to contribute to the basic theory for mesoscopic physics.

与传统贵金属表面等离激元相比，石墨烯等离激元具有高度可调控性、极端的电磁场局域、更高的结晶度以及更低的损耗,是理想的中红外以及太赫兹波段等离激元载体。研究表明，利用石墨烯耦合结构能够增强光与物质相互作用，有效实现光谱控制。然而，目前石墨烯等离激元杂化理论尤其是量子杂化理论很不成熟，限制了石墨烯耦合器件在中红外光谱研究中的应用。在此项目中，我们拟采用非对称耦合石墨烯带支持的等离激元杂化模式来对中红外光谱进行控制，重点研究模式杂化机理及其对中红外光谱的影响。具体包括：1）经典等离激元模式杂化机理及其对中红外光谱的影响；2）考虑量子限域效应的量子等离激元杂化机理及其对中红外光谱的影响；3）基于模式杂化机理设计并优化若干种中红外光谱器件。从而解决中红外波段二维等离激元器件应用中光场调控这一关键问题。本项目不仅能为阐明光与石墨烯集体振荡相互作用理论提供重要指导，而且将为介观物理基础理论提供有益贡献。

等离激元现象一直是纳米光子学研究的热点，与传统贵金属表面等离激元相比，中红外石墨烯等离激元具有更强的光场局域能力，更长的等离激元寿命且更易于通过场效应动态调控，因此石墨烯等离激元机理研究和器件设计对于实现中红外片上集成光路具有重要的意义。项目基本按照预定计划和目标开展，我们主要进行了五个方面的研究：1）研究了利用半导体纳米线实现高效单方向中红外石墨烯等离激元的激发装置，我们的研究表明，通过近场干涉效应我们可以实现100以上的出射能量消光比。2）提出了利用石墨烯等离激元Tamm态对传播等离激元进行诱捕放大的装置，进而实现高灵敏度的生化传感平台。3）提出在石墨烯带阵列中利用石墨烯带等离激元弱耦合效应实现等离激元离散泰伯效应的方案，通过调控载流子浓度实现了的深度亚波长（λ/13）泰伯距离。4）对比研究了高速和低速等离激元非局域效应的产生原因以及数值模拟方法，我们的研究表明低速非局域效应在低费米能级的声学石墨烯等离激元体系中普遍存在，如果不考虑非局域效应则会得出十分荒谬的结果。5）探索了拉伸石墨烯以及单层贵金属在近场辐射热转移增强过程中的应用前景。相关的研究工作极大的拓展了石墨烯等离激元效应的研究，为利用石墨烯等离激元效应的中红外集成光子器件的实现提供了很好的基础。