石墨烯光子学和光电子学..doc

Nature Photonic | VOL 4 | SEPTEMBER 2010 Graphene photonics and optoelectronics F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan and A. C. Ferrari 石墨烯在光学和电子学方面的丰富的特性引起了广泛关注。除灵活性、鲁棒性和环境稳定性之外，石墨烯还具有高移动性和光透明性。目前的研究焦点是其基础物理和电子器件。但是，我们认为其真正的潜力在于光子学和光电子学方面，其独特的光学和电子性质的结合可以得到充分利用，甚至在没有带隙的情况下，利用狄拉克电子的线性色散也能实现超宽带可调谐性。最近的一些研究成果显示了石墨烯在光子学和光电子学方面的兴起，从太阳能电池和发光器件到触摸屏、光电探测器和超快激光器。 1、引言 电子在石墨烯二维结构中运动时，其能量和动量之间满足线性关系，从而表现为无质量的狄拉克费米子[1-3]。因此，石墨烯的二维带电粒子气的电子特性可由相对论狄拉克方程来描述（而不是有着有效质量的非相对论薛定谔方程[1,2]），其类似于粒子的载流子具有零质量和约为的等效的“光速”。 石墨烯具有各种为二维狄拉克费米子所特有的输运现象，如特定整数和分数量子霍尔效应[4,5]，甚至当载流子的浓度趋于零时[1]，也具有约为的“最低”电导率，以及Berry’s相所带来的具有相移的Shubnikov–de Haas振荡[1]。在悬浮样品中观测到的迁移率（）高达。将此特性与室温下的近弹道输运相结合，使石墨烯在纳米电子材料方面有潜在的应用[6,7]，特别是在高频方面[8]。 石墨烯也有显著的光学性质。例如，尽管它仅有单原子厚度，但具有光学可视性[9,10]。其透射率（T）可根据细微结构的参数来表示[11]。狄拉克电子的线性色散带来了宽带方面的应用。由于HYPERLINK /dict_result.aspx?searchword=Pauli+blockingtjType=sentencestyle=t=5M0_GX8k泡里阻塞而观测到饱和吸收[12,13]。非均衡载流子导致热照明[14,17]。化学和物理处理也能导致发光[18,21]。上述这些性质使石墨烯成为了理想的光子和光电材料。 2、电子和光学特性 2.1 电子特性 单层石墨烯（SLG）的电子结构可用紧束缚哈密顿算符来描述[2,3]。由于键和反键-带在能量上完全分离（10ev在布里渊区中心Γ），可在半经验计算中将其忽略，仅保留剩下的两个-带[3]。六角晶格上不同原子的电子波函数是重叠的。然而根据对称性，任何此类和s轨道或和轨道不会重叠。因此，可以认为形成-带的电子独立于其它价电子。利用-带近似，可以很容易地描述全哈密顿算符的电子谱，并获得仅限于邻近相互作用的色散关系： 其中（是碳-碳的间距），是相邻-轨道间的转移积分（的典型值是2.9-3.1eV）。第一布里渊区的矢量构成了电子动量的整体。 在-模型中，每个原子有一个电子（其余三个s、、电子填充在低的-带），公式（1）中的（-）带（负能量部分）都占满了，而（+）带完全是空的。占满的带和没占满的带在K点相接。费米能级是零能量参考点，费米表面由K和定义。将公式（1）在展开，得到狄拉克费米子的线性-和-带： （2） 其中，是电子的群速度，。 公式（2）给出的线性色散是有效哈密顿算符在点的解，其中，是石墨烯A-B亚晶格上电子振幅空间中的赝泡利自旋矩阵[2,3]。 2.2 线性光吸收 光学图像上的对比可用于辨认衬底上的石墨烯（Fig. 1a）[9]。其与层数成比例，是干涉的结果，是间隔物。通过调整间隔物的厚度和光波长[9,10]，可以增加对比度。独立的SLG的透射率可通过，将菲涅耳公式用于通用光传导[22]为固定的的薄膜材料中来得到 （3） 其中是细微结构参数[11]。在可见光频段，石墨烯仅反射0.1%的入射光[11]，双层时约反射0.2%[9]。因此，可以认为石墨烯层的光吸收与层数成比例，在可见光区，每一层反射（Fig. 1b）。在数层石墨烯（FLG）样品中，可以认为每一层都是二维电子气，受临近层的扰动极小，使其在光学上等效为几乎互不作用的SLG的叠加[9]。SLG在300-2500nm间的吸收谱平坦，在紫外区有吸收峰，这是由于石墨烯态密度中的激子移动van Hove奇异性。在FLG中，低能区有与带间跃迁相关的其它的吸收特性[23,24]。 2.3 可饱和吸收 由超快光脉冲产生的带间激发在价带和导带引起了非均衡的载流子（Fig. 1c）。在时间分辨的实验中[25]，能够得到两个典型的弛豫时间尺度：与载流子-载流子带间震荡和声子发射相关的约