石墨烯纳米结构中非局域以及量子等离子体激元的理论研究

Graphene, a two-dimensional material, can be used to control the propagation of electromagnetic waves, where the surface plasmons can couple to the incident waves and then form the highly confined plasmon polaritions. Being different from the plasmons in metallic systems, graphene plasmons can be tuned by the structures and electrostatic gating., which has extended the researches of Plasmonics and comes to be a hot topic. Applicant will investigate some fundamental properties of plasmons in graphene structures based on theoretical analysis and numerical computation. The detailed studies includes: 1) investigate the properties of nonlocal plasmons in graphene nanostructures, and the comparisons of local plasmons in the same strucutures, and the effect of Fermi level; 2) investigate the coupling of nonlocal plasmonic modes in graphene nanostructures, for example between the dipolar mode and dipolar mode, and between the dipolar mode and higher order modes; 3) investigate the properties of quantum plasmons in graphene nanostructures，and their dependence on the next nearest hopping, edge effect, and defects.

新型二维材料石墨烯可用于调控电磁波的传输，其与入射的电磁波相互作用形成高度局域的表面等离子体激元。与金属的表面等离子体激元不同，石墨烯表面等离子体激元不仅可以通过几何结构来调控，还可以通过外置电压实时地调控，拓展了等离子体激元学的研究，已成为当前的一个研究热点。申请人拟以理论分析和数值模拟相结合的方法对石墨烯等离子体激元进行一系列基础理论研究，包括：1)探讨石墨烯微纳结构中非局域等离子体激元的性质，其与局域等离子体激元的性质对比，以及其受费米能级等因素的影响；2)研究石墨烯微纳结构中非局域等离子体激元偶极模式之间的耦合，偶极与高阶模式的耦合，分析耦合效率、吸收效率等受结构、空间排列、距离等的影响；3)研究石墨烯纳米结构中量子等离子体激元的性质，在原有的研究基础上考虑次近邻相互作用，边界效应、碳原子的缺失对激元性质的影响。

等离激元源于自由电子的集体振荡与入射电磁波的耦合，二维新型材料石墨烯可通过外置电压调控自由电子的浓度，且载流子具有较小的欧姆损耗，因而其支持的等离激元工作频率动态可调、寿命更长。本项目探讨了石墨烯微纳结构中局域模式随尺寸的演化，石墨烯颗粒周期阵列对电磁波透射、反射、吸收的调制，磁场作用下石墨烯等离激元的模式劈裂、共振频率、局域场分布等受几何结构的影响。研究发现: 1)石墨烯椭形盘中角动量为零的模式不会发生模式劈裂，而其它的模式则会随着离心率的增加而劈裂越来越大;偶极模式具有最大的能量劈裂,还可以通过椭球体近似解析求得其共振频率，此外还发现低频偶极模式的相位总线性变化，而高频偶极模式则更局域。2)多层石墨烯纳米结构阵列，由其复杂性，给计算带了诸多困难，本研究抓住这个亟待解决的问题，提出均匀化加转移矩阵的处理方法，只需全波仿真单层石墨烯结构，提取参量进行均匀化，而后的多层结构计算则可在转移矩阵的框架下解析求得，该方法的正确性被单层和双层结构中的全波仿真所论证。3)石墨烯磁等离激元在正多边形和圆形中的行为很相似，然而其对称劈裂的大小却会随着边数的增加而增加，并最终趋于圆形的结果；研究表明，结构的尺寸只会使两个模式集体地移动，而劈裂的大小保持不变；然而，对称劈裂在矩形中迅速消失，伴随着长边尺寸的继续拉升，只有一个磁等离激元模式能被有效激发，而仅存的这支模式是高频还是低频取决于入射光的极化；最后，在经典电磁学的框架下，本研究提出了一种物理上非常直观的理论模型，能很好地解释这些现象。项目的研究内容对理解石墨烯等离激元的基本属性很有帮助，也为相应器件的设计打下良好基础。