新型二维材料与范德华层状异质结构的等离激元特性研究

The brilliant surface plasmon polaritons (SPPs) with more confinement，low loss and precise controllable is very important for its application in the light control under nanoscale. The graphene, as representative 2DLMs, has shown strong confinement and lower loss. However, the SPPs properties of other 2DLMs such as molybdenum disulfide and black phosphorus are not clear. This project will investigate the properties of SPPs of 2DLMs and its related influence factors on the basis of first principles calculations, tight binding approximation methods, and semiclassical theories. The influence factors of SPPs propagation will be also studied for the selection of 2DLMs with superior performance of SPPs. The experiment will begin from the preparation of 2DLMs, using the fiber taper and leakage radiation microscopy to excite and measure SPPs respectively. The key factors affecting the SPPs energy confinement, transmission distance and plasmonic modes will be also obtained, with the goal of excitation, propagation and release of SPPs with confined and lower loss energy. In the late stage, the 2DLMs will be further rationally designed using different materials, and the 2DLMs with Van der Waals heterostructures will be constructed to further enhance the performance of SPPs.

获得具有高度局域、低损耗和可控的表面等离激元，并用于纳米尺度对光的精确调控一直是很重要的课题。石墨烯以低损耗和动态可调节的表面等离激元在近期引起了广泛关注，其他二维材料（如二硫化钼和黑磷等）表面等离激元性质尚不明确。本项目拟开展新型二维材料的表面等离激元性质的理论和实验研究，拟结合第一性原理、紧束缚近似方法和半经典理论，获取二维材料的光学参量，探索表面等离激元的关键影响因素，筛选具有优越表面等离激元性能的二维材料。尝试利用光纤锥和泄漏辐射显微镜，获得表面等离激元的激发、传输和释放光场的整个过程，揭示二维材料的层数、介电环境和激发光的偏振对表面等离激元的能量局域性、传输距离和模式信息的影响。进一步通过构建二维材料的叠层范德华异质结构，利用材料优势互补和异质结引入的新特点，以望提高表面等离激元在纳米尺度对光的传输的操控能力。

表面等离激元（SPPs）可以突破光的衍射极限，实现在纳米尺度上对光的操纵的新型量子态，为实现纳米全光集成带来了曙光，为获得具有高度局域、低损耗和可控的表面等离激元，并用于纳米尺度对光的精确调控一直是很重要的课题。本项目针对新型二维材料的表面等离激元性质的理论和实验研究，确定了石墨烯、二硫化钼、黑磷的表现等离激元的存在性以及频率范围，并发现二维材料的结构、等离激元的激发方式和衬底的介电环境对二维材料的等离激元的影响。在此基础上，研究了二硫化钼/石墨烯异质结的表面等离极化激元特性，发现该异质结构具有比二硫化钼、石墨烯单层结构更大强的表面等离子体电磁场能量局域性。同时，理论上提出了一种掺杂单层二硫化钼的石墨烯有源等离激元器件，阐述了MoS2对于石墨烯的有源等离子体器件结构的影响。在石墨烯等离子体方面，利用自成像原理设计了石墨烯表面等离激元分束器，利用光栅状的绝缘介质实现了对石墨烯等离激元的聚焦。在实验上，完成了石墨烯、二硫化钼以及石墨烯/二硫化钼异质结的制备。通过实验手段制备了单层二硫化钼，利用溶胶凝胶法制备了金纳米颗粒，并使其与二硫化钼光电晶体管复合，能显著增强器件的光电流。此外还利用电子束光刻法制备了直径为200 nm，周期为400 nm，高50 nm的金纳米圆盘阵列，并在10 K的低温下采集了电调控下的PL数据，研究发现金纳米颗粒与圆盘阵列均能增强二硫化钼的负三子的束缚能。制备了形状与尺寸较为理想的MoS2薄膜，在此基础上采用电子束曝光法结合电子束蒸发镀膜技术构筑了背栅Ti/Au电极MoS2场效应晶体管，并使用半自动探针台测试了晶体管的光电输运性质。通过在晶体管沟道旋涂Au@SiO2壳核纳米颗粒，结合理论仿真论证了局域表面等离激元共振对器件光电性能的增强机制，研究结果有助于表面等离激元磁共振与光量子器件的进一步发展。