石墨烯表面等离子体模式激发与耦合传输机理研究

Based on graphene's high electron mobility and tunable electron density, we propose the concept of graphene surface plasmon to solve the the high loss problem and bandwidth limitation in traditional metallic plasmonics material. Density functional theory and finite element calculation are used to analyze the coupling process between the incident wave and two-dimensional electron gas in graphene. We further analyze and reveal the excitation mechanism of graphene surface plasmon mode. The nano structures and the external electric field are employed to design the low loss and wide bandwidth graphene surface plasmon. Graphene is fabricated by chemical vapor deposition method, and with the help of optical lithography and electron beam lithography technology, experimental verification of low loss and wide bandwidth graphene surface plasmon that beyond the diffraction limit will be performed. Graphene surface plasmon technology developed by this project provides a new way to overcome the bottleneck of the current metal surface plasmon, the method will also create a promissing future for the next generation nano optical devices and systems.

基于石墨烯中二维自由电子气的电子迁移率高和自由电子密度可调等特性，提出利用石墨烯做为表面等离子体波的载体，以解决传统金属表面等离子体中的高损耗和带宽限制。采用密度泛函理论和有限元等数值计算与模拟方法，研究入射光波与石墨烯二维电子气相互耦合作用规律，阐明石墨烯中表面等离子体波的激发机制；分析微纳结构和外加电场对表面等离子体模式的影响特性，发展低损耗传输、宽波段激发的表面等离子体模式设计方法；利用化学气相沉积方法制备石墨烯，结合光学光刻和电子束加工技术，构造可以实现超衍射极限传输的石墨烯表面等离子体实验方案，对其低损耗和宽波段特性进行实验验证。本项目发展的石墨烯表面等离子体波技术，为克服现有金属表面等离子体的瓶颈提供了新的思路，为下一代微纳光学器件和系统奠定基础。

石墨烯中的二维电子气在一定条件下可形成局域性极强的表面等离子体，本项目在石墨烯表面等离子体的基本性质、高质量石墨烯生长与转移，以及石墨烯表面等离子体的激发实验等方面开展了研究。在石墨烯表面等离子体基本特性方面，建立了石墨烯等离子体与自由空间光的耦合波模型，基于该模型发现了石墨烯等离子体光吸收率的缩放不变性，以及石墨烯等离子体吸收率、带宽、品质因素和动态调节范围等因素与石墨烯材料本身以及激发结构之间的关系；并进一步分析了石墨烯等离子体中的能量能流平衡过程，发现局域电场的平方与吸收率和石墨烯电子弛豫时间成正比。在高质量石墨烯生长和转移方面，建立了石墨烯选择形核的动力学模型，揭示了石墨烯单晶的生长机理，并在多晶铜基底上实现了大面积单晶石墨烯的生长；通过转移中的高分子材料的设计，发展了石墨烯无损转移工艺。在石墨烯等离子体实验方面，发展了石墨烯纳米图形化工艺，石墨烯凝胶调制技术，并从实验上实现了石墨烯等离子体近70%的光吸收率。本项目的成果可能在光学调制，光电探测器，分子检测等领域有应用前景。