封面︱利用介电环境调控石墨烯等离激元和基底声子的耦合

《量子电子学报》第2期封面文章

Zeng Kai, Fan Xiaodong, Wang Dongli, Li Xiaoguang, Zeng Changgan. Modulation of coupling between graphene plasmon and substrate’s phonon by changing dielectric environment[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2020, 37(2): 138-143.

石墨烯等离激元在中红外到太赫兹波段具有很好的场束缚、相对较低的损耗和独特的栅压可调性，可以做太赫兹波段的偏振控制器，可以探测红外分子振动光谱，也可以动态调制红外光光强，有广阔的应用前景。

激发石墨烯等离激元的常见手段是将石墨烯转移到二氧化硅基底上，通过电子束刻蚀做成周期性条带阵列。周期性结构可以提供波矢，补偿电磁波真空波矢和等离激元波矢的巨大差别，实现石墨烯等离激元的激发。石墨烯是单原子层材料，容易受到周围介电环境的影响，进而石墨烯的等离激元性质也容易受到介电环境的影响。当基底是极性基底时，石墨烯等离激元会和基底的表面光学声子耦合，等离激元的色散曲线在声子频率处发生劈裂，但如何调控这种耦合却缺乏研究。

近日，中国科学技术大学的研究人员采用Comsol Multiphysics软件进行数值模拟，针对硅基底上放石墨烯条带以及二氧化硅基底上放石墨烯条带的体系，通过改变石墨烯条带边缘的介电环境，研究介电环境对石墨烯等离激元和基底声子耦合的调控。相关结果发表在量子电子学报2020年第二期。

插图：改变二氧化硅上石墨烯条带边缘环境对石墨烯等离激元的调控效果

通过Comsol进行数值模拟表明，改变石墨烯条带边缘介电环境对石墨烯等离激元和基底表面光学声子的耦合有明显的调控效果。当石墨烯条带放在硅基底上时，增加石墨烯条带边缘附近硅的体积比，色散曲线整体下移，效果类似于增大了硅的介电常数。当石墨烯条带放置在二氧化硅基底上时，增加石墨烯条带边缘附近二氧化硅的体积比可以增强石墨烯等离激元和二氧化硅声子的耦合，低频段的两个色散分支上的最大光吸收率也明显增加。

相比以往采用电加热调控耦合的方案，该文章的调控方案更简单,并且具有完全不同的物理机理。另外，文中设计的不同结构也是调节石墨烯等离激元和二氧化硅声子耦合程度以及石墨烯条带吸收率的方法，可以促进太赫兹波段石墨烯等离激元理论和器件制备的发展。

课题组介绍：

中国科学技术大学曾长淦课题组主要从事低维凝聚态物理研究，包括石墨烯、等离激元、表面物理、氧化物异质结等方向。在此领域共发表SCI论文80余篇,包括1篇Nature，1篇Nature Materials，1篇Nature Physics，1篇Nature Photonics, 2篇Nature Communications，11篇Physical Review Letters，1篇Advanced Materials，5篇Nano Letters，2篇Journal of the American Chemical Society；授权专利5件。