使用具有极高空间分辨的中、远红外近场光学成像技术来研究石墨烯材料的电导率分布变化

Recently graphene has attained great research interest for its extraordinary electronic, photonic, thermal and mechanical properties, and the electronic properties is center of research focus due to its unique conical shape band structure. Theoretically different edge structures, lattice orientations and defects in graphene can affect electronic property due to either the existence of localized electronic states or the variation in local conductivity. However conventional transport measurement is not sufficient to differential the electronic effluence of these individual subtle structures, because transport measurement represents essentially macroscale effect. STS can reveal the localized states at graphene edges, however the heavy demanding for experimental measurements and sample preparation keeps it distant from real life application. Graphene plasmon propagation has been found to be extremely sensitive to all sorts of defects in graphene. Propagation plasmons can be scattered and reflected by graphene edges, grain boundary and wrinkles with different reflection coefficients. Plasmon reflections can be mapped by scattering type scanning near-field microscope. By fitting the plasmon reflection profiles with numerical simulation, fermi energy variation and local conductivity profiles of at graphene defects can be readily derived. Probing local electronic prosperities with plasmons can provide 10 nanometer resolved conductivity mapping in ambient environment, which can be in principle applied to other novel 2D electronic materials.

石墨烯优异的电、光、热以及机械性能使其成为了近年来的研究热点，而对其电学性质的研究尤为引人关注。理论上石墨烯不同的边界结构，晶向以及自身各种缺陷都会对石墨烯的电学性质产生影响。但是传统的基于器件形式的输运性能测量无法有效的对这些纳米尺度的微结构逐个进行研究；使用STM可以对局域电子态进行表征，然而其对实验环境和样品要求相对较高。最近我们发现石墨烯等离激元在石墨烯表面的传播对石墨烯中细微的结构变化非常敏感，在石墨烯边界以及各种缺陷处会发生强度不均的反射。通过使用散射型扫描近场光学显微镜对这种等离激元的反射进行成像，分析其反射抛面，配合数值模拟可以得出石墨烯各种缺陷处的费米能级变化，进而推算出在各个特定位置处的光频乃至直流电导率。这是一种使用光激发，在大气环境、室温下提供具有10纳米空间分辨电导率分布的新颖方法，原则上这种方法对探索其他新型二维电子材料的局域电性皆有效。

纳米光学是近几十年兴起的一门学科，以实现光子在纳米尺度的人为操控为目标。迄今为止，纳米光学中有三个重要的研究方向，分别为二维材料学、极化激元学和近场光学，分别提供了有效的操控平台、增强的光与物质相互作用和强大的表征技术手段。本项目所关注的是上述三个方向交叉领域中存在的新奇物理现象。通过近场光学测量和理论计算，重点研究了石墨烯表面等离极化激元的近场光学性质。.主要包括两个部分：1.研究了石墨烯不同边界手性下的电子能带结构和相应的表面等离激元动力学过程。实验和数值模拟计算表明，zigzag边界处精细的子带结构提供了额外的光吸收通道，增加了光电导。与此同时，zigzag边界态的有效宽度可以通过入射光波长和石墨烯费米能级进行有效调控，其局域因子高达1/188，高于衍射极限两个数量级。此外，实验表明等离激元在zigzag边界处具有比在armchair边界更长的弛豫时间。这一部分验证了等离激元可以作为一种光学探针去研究材料的拓扑结构和电子能带结构等。2.实现了石墨烯等离激元安德森局域的实空间成像。随着石墨烯体系无序度的增大，等离激元由扩展态变为弱局域态，最终变为安德森局域态。实验表明，安德森局域可以增强光与物质的相互作用和光子的纳米局域，体局域因子高达107。基于标度理论和近场测量，我们首次得到了石墨烯等离激元的局域化长度、平均自由程和迁移率边。这一部分首次将无序度的概念引入极化激元学领域，也为其调控提供了一种新的自由度。本项目主要关注纳米光子学中几个重要研究方向的交叉领域，揭示其中新奇的光学现象和背后的物理机制。