基于超快技术的石墨烯纳米带中载流子弛豫过程研究

Nanoscale graphene photonic devices is one of the current research hotspots. The relaxation of photocarriers plays a significant role in determining the performance of nanometer devices. Thus, it is an urgent need to find out the complete relaxation of carrier in graphene nanostructures. Taking the time-resolved advantage of the ultrafast laser, the carrier nonequilibrium dynamics in graphene nanoribbons (GNRs) will be investigated by analyzing the ultrafast optical properties, moreover the influence of microscopic scattering mechanisms on the carrier relaxation will also be obtained indiretly. The research results can help design the graphene photonics devices. The main research focuses are as follows: (1) the dependence of underlying microscopic scattering mechanism on the carrier intraband and interband relaxation will be discussed from saturable absorption of GNRs, especially the obvious energy gap and the edge scattering; (2) the impact of the energy gap induced by quantum restriction on the photocarrier generation, nonequilibrium distribution, and nonlinear broadband radiation will be investigated from the ultrafast photoluminescence of GNRs, and this can dig out the light emitting performance of nanoscale graphene. The executer of this program not only extends the underlying physics of carrier relaxation, but also provides the theoretical fundamental and technical guidance for the design and optimization of graphene photonic devices.

纳米尺度的石墨烯光子学器件是当前的研究热点之一。其中光生载流子的弛豫过程是决定纳米器件性能的重要因素。因此，全面了解石墨烯纳米结构中载流子的弛豫过程成为一个十分迫切的课题。本项目拟利用超快激光的时间分辨优势，通过对石墨烯纳米带中光生载流子的非平衡动力学研究，间接得到影响载流子弛豫的多种微观散射机制，为光子学纳米器件设计提供帮助。主要研究内容包括：(1)对石墨烯纳米带饱和吸收特性进行研究，间接得到载流子的带内及带间弛豫过程，讨论各种散射机制对弛豫过程的贡献，并着重分析带隙和边界散射的影响；(2)进一步对超快光致发光特性进行研究，分析量子限制产生的带隙对载流子产生、非平衡分布以及非线性宽带辐射的影响，从而加深对纳米尺度石墨烯发光性质的认识。项目的实施不仅能够扩展载流子弛豫的物理内涵，还能够为石墨烯光子学器件的设计与优化提供理论依据和技术指导。

纳米尺度的石墨烯光子学器件是当前的研究热点之一。本项目主要围绕石墨烯纳米结构中载流子弛豫过程和光电性质展开工作，为石墨烯光电器件设计提供帮助。主要研究内容及结果如下：（1）利用超快激光技术，测得了石墨烯纳米带中载流子弛豫时间小于1ps，其中包含了带内的慢弛豫过程和带间的快弛豫过程；衬底形貌对弛豫过程有较大影响。（2）利用传输矩阵方法，计算了石墨烯p-n结及势垒中的负微分电导效应，为高频电子器件的工作探索道路。（3）研究了应变对石墨烯纳米带光学性质的影响，发现了拉曼光谱中G峰的分裂；而且，沿armchair方向的应变在红外谱里1511cm-1处出现了一个峰值，源于晶格内原子间振动模式。（4）尝试了在石墨烯上形成周期性结构和栅压调制电导率去影响光学性质，结果都不是很明显；利用金纳米粒子形成的局域等离子体，提高了石墨烯在可见光范围内的吸收，而且能够提高其在拉曼光谱中2D峰的强度。（5）研究了另外一种二维体系—二硫化钼对砷烷的吸附，发现可以通过在二硫化钼中进行掺杂来改善其对砷烷的吸附特性，其中硅是一个比较理想的选择，这对二维材料体系在气体吸附方面是一个很好的启示。