[论文解读] Graphene plasmonics: Physics and potential applications

Shenyang Huang, Chaoyu Song+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2016

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 78被引用 5

一句话总结

本综述探讨了石墨烯等离子体学，突出其独特物理特性——源于无质量狄拉克费米子，表现出强可调性和能量局域化。它展示了石墨烯等离子体如何通过与基底、吸附物及二维材料的强耦合，实现可重构的纳米光子器件，其应用涵盖太赫兹至中红外频段的可调超材料和超表面。

ABSTRACT

Plasmon in graphene possesses many unique properties. It originates from the collective motion of massless Dirac fermions and the carrier density dependence is distinctively different from conventional plasmons. In addition, graphene plasmon is highly tunable and shows strong energy confinement capability. Most intriguing, as an atom-thin layer, graphene and its plasmon are very sensitive to the immediate environment. Graphene plasmons strongly couple to polar phonons of the substrate, molecular vibrations of the adsorbates, and lattice vibrations of other atomically thin layers. In this review paper, we'll present the most important advances in grapene plasmonics field. The topics include terahertz plasmons, mid-infrared plasmons, plasmon-phonon interactions and potential applications. Graphene plasmonics opens an avenue for reconfigurable metamaterials and metasurfaces. It's an exciting and promising new subject in the nanophotonics and plasmonics research field.

研究动机与目标

• 回顾石墨烯等离子体的基本物理原理，强调其源于无质量狄拉克费米子及其载流子密度依赖性的独特性。
• 分析由于其二维特性与低损耗，石墨烯等离子体所表现出的强可调性和极端能量局域化。
• 研究石墨烯等离子体对环境相互作用的敏感性，包括基底声子、吸附物振动以及二维层状材料的影响。
• 探索其在可重构超材料与超表面中用于纳米光子器件的潜在应用。
• 全面概述太赫兹与中红外波段等离子体学、等离子体-声子耦合以及器件集成方面的进展。

提出的方法

• 基于狄拉克锥模型与线性响应理论，对石墨烯中等离子体色散进行理论分析。
• 利用介电函数形式与电子-声子相互作用哈密顿量，对等离子体-声子耦合进行建模。
• 通过数值模拟研究在不同栅压下石墨烯纳米结构（如纳米带、纳米盘）中的等离子体模式。
• 采用有效介质近似与格林函数技术，研究等离子体与基底及二维层的耦合。
• 综述利用散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM）在太赫兹与中红外波段实现实验观测的研究。
• 系统比较石墨烯等离子体学与传统等离子体材料（如贵金属）在可调性与局域化方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯独特的电子性质（如无质量狄拉克费米子）如何影响其等离子体的行为？
• RQ2 通过电场栅压，石墨烯等离子体频率与模式局域化程度可调节到何种程度？
• RQ3 石墨烯等离子体如何与基底中的声子及吸附分子的振动模式发生相互作用？
• RQ4 在原子级厚度的石墨烯体系中，实现强光-物质耦合的关键机制是什么？
• RQ5 石墨烯等离子体学在可重构纳米光子学与超材料中最具前景的器件级应用是什么？

主要发现

• 由于其二维特性，石墨烯等离子体表现出强烈的能量局域化，可实现低于衍射极限的亚波长模式调控。
• 石墨烯中的等离子体频率可通过电场栅压高度可调，其调谐范围覆盖太赫兹至中红外波段。
• 石墨烯等离子体与六方氮化硼等二维基底中的极性声子表现出强耦合，可形成混合的等离子体-声子模式。
• 吸附分子通过振动耦合可引起可测量的等离子体共振能量移位，从而实现超灵敏化学传感。
• 理论与实验研究均证实，石墨烯纳米结构中存在具有高Q值与低传播损耗的等离子体传播。
• 石墨烯等离子体学可实现动态可重构的超表面与超材料，其光学响应可在宽频带范围内调谐。