石墨烯基系统中太赫兹等离极化激元的研究

The plasmon polaritons in graphene have some properties superior to that on metal surface, such as extremely high field confinement, better locality, highly tunable via electrostatic gating and long propagation length. Due to the important applications in terahertz plasmon wave guide, terahertz plasmon radiation et. al., plasmon polaritons in graphene have been widely studied in recent years. However, the plasmon excitation and also the plasmon polariron tuning by driving electric field are rarely reported among the numerous studies. Nevertheless, by the way that plasmon excited and tuned by electric field one can achieve the radiation and tuning of electromagnetic mode by electric field. This will be more convenient for graphene terahertz plasmon applications. In this study, we plan to investigate the terahertz plasmon excitation and plasmon polariton tuning by the method of Boltzmann equation and many-body self-consistent field theory. Thus we can explore the mechanism of excitation and tuning of terahertz electromagnetic mode by electric filed in graphene, and provide the theoretical support for its applications.

石墨烯中的等离极化激元相对于金属表面等离极化激元具有更好的场限制效应、局域性、可调控性以及更长的传播程等优势。近年来石墨烯在太赫兹等离激元波导，太赫兹等离激元辐射等方面因其重要的应用而得到了广泛研究。但是在众多的研究中驱动电场激发太赫兹等离激元以及电场调控太赫兹等离极化激元的研究鲜有报道。而电场激发太赫兹等离激元并对其模式进行调控可以实现电磁模式的电致辐射以及电磁模式的电场调控，这将会使石墨烯太赫兹等离激元装置的应用更加方便。在本项目中我们拟基于玻尔兹曼平衡方程和多体自洽场理论，对石墨烯基系统中太赫兹等离激元的电致激发以及等离极化激元的电场调控进行研究，以探索石墨烯中太赫兹电磁模式的电致激发和调控机制，为其实际应用提供理理论支持。

石墨烯中等离激元具有高局域性、低欧姆损失和长的传播程，易调控性，更重要的是石墨烯中等离激元频率处于太赫兹到远红外之间。因此石墨烯被认为是比较理想的太赫兹等离激元装置材料。而成为可调、有效的太赫兹辐射源是目前石墨烯被重点关注和研究的领域。其中的关键是有效的激发石墨烯中的太赫兹等离激元。另外，通过使石墨烯中等离激元和入射光耦合形成等离极化激元，从而能够增强石墨烯和入射光的相互作用，增强石墨烯的光学响应如光吸收、光学灵敏度等。由于两者动量以及能量不匹配不能直接耦合，因此目前研究的关键是如何实现入射光和石墨烯中太赫兹等离激元的耦合，从而实现增强石墨烯在太赫兹波段的场效应。在本项目中我们首先建立了石墨烯中等离激元电致激发的理论模型，进一步研究了石墨烯中太赫兹等离激元的发射机制，包括实现太赫兹等离激元发射的条件、等离激元发射强度的分布，驱动电场对等离激元发射强度的调控等。研究发现当选取合适的光栅结构时，在石墨烯中可以实现太赫兹等离激元的电致激发，并且太赫兹等离激元的发射强度可以由驱动电场来调控，这为该石墨烯理论模型应用于太赫兹等离激元辐射装置提供理论依据。另外，我们也研究了该理论模型的光学性质如光电导率，探索了实现石墨烯中太赫兹等离激元向外辐射的条件，以及太赫兹入射光和石墨烯中等离激元耦合形成等离极化激元的耦合机制、模式等。研究发现（1）在一定的光栅结构下可以实现石墨烯负的光电导，意味着在这种情况下可以实现石墨烯中太赫兹等离激元的辐射；（2）由于光栅的增强作用，该结构可以实现石墨烯中等离激元和太赫兹入射光的强烈耦合，从而引起石墨烯光吸收的大幅度增加，从而增强石墨烯的太赫兹光学响应，为石墨烯应用于太赫兹探测等场效应装置提供理论支撑。总之，本项目我们的研结果为石墨烯应用于多种太赫兹等离激元装置提供了一定的理论预测和支持。