等离子激元对增强碳纳米结构红外光吸收与发射的研究

Carbon nanostructures (graphene and carbon nanotube), with exceptionally excellent electronic transport and optical properties, have been shown novel photonic devices fundamentally different from conventional materials. In recent years, researchers have reported photoconductivity and electroluminescen of carbon nanostructures in infrared region. For carbon nanostructures infrared detector, it still suffer from low light absorption and difficulty of extracting photoelectrons. For carbon nanostructures infrared emitters,its emitting intensity is still weak. Plasmonic metal nanostructures can effectively absorb incident infrared light, convert ligth to plasmonic oscillation, form strongly local electric-field, and greatly enhance detection and emission of infrared light. In this project, we propose to 1) fabricate carbon nanostructure infrared detector, and enhance the detection by plasmonic metal nanostructures; 2) fabricate carbon nanostructure infrared emitter, and enhance the emission intensity by plasmonic metal structure; 3) study on the optical properties of plasmonic structure by electrically modulating the carbon nanostructure. Through this study, we expect to deepen our fundamental understanding on the interaction between light and single-atomic material, and make carbon nanostructure infrared detector and emitter close to practical application.

基于碳纳米结构（石墨烯与碳纳米管）的红外波段的光电导和电致发光器件近年来受到了广泛的关注。然而碳纳米结构的红外探测器目前受限于较低的光吸收系数,碳纳米结构的红外发射器受限于较低的发光强度。针对以上存在的问题,本项目拟结合金属等离子激元纳米结构来提高碳纳米结构在红外波段的光吸收和发射。等离子激元纳米结构可以有效地吸收入射光，并把光转化为等离子共振，在局部范围内形成很强的电场，从而有效提高红外光的吸收和发射。 本项目将从三个方面开展研究：1）制备碳纳米结构的红外探测器，并在感光区制备等离子激元纳米结构来提高红外感光率；2）制备碳纳米结构的红外发射器件，并在发射区域制备等离子激元纳米结构来提高红外光发光强度；3）对碳纳米结构的电学性能调制来研究等离子激元的光学特性变化。 通过对该项目的研究，一方面可以加深光与单原子层材料相互作用的理解，另一方面可以促进碳纳米结构在相关领域的实际应用。

包括石墨烯和其他二维层状材料在内的各种纳米材料有着不同寻常的电学输运和光学特性，并且可以用来构建与传统材料不同的新型的电子与光子器件。近年来，研究者们报道了纳米材料中红外区域的探测。在本项目中，我们研究了（1）纳米材料的可控生长以及其转移到各种不同衬底之上，通过透射电子显微镜对纳米材料的生长过程监测以及对其生长机制的理解；（2） 石墨烯与银等离子激元结构的相互作用，以及如何提高表面拉曼增强的稳定性；（3）利用这些制备出来纳米材料进一步制备和表征电子和光电子器件。这些研究最终发表了包括Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano在内的11篇期刊文章。通过这些研究，使得我们进一步加深了光与单原子层纳米材料相互作用的理解，而且使得其更一步接近了其潜在的应用。