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题目
基于石墨烯和碳纳米管所设计的表面等离子体激元纳米激光器
摘要
表面等离子体激元纳米激光器(Spaser)是通过等离子体谐振器和增益介质
来补充能量损失的表面等离子体激元的纳米尺度光源。这里我们设计了一种碳基
spaser,其中的石墨烯纳米片(GNF)谐振器被耦合到碳纳米管(CNT)增益元
件上。我们从理论上证明了,由于这种模式与CNT激子之间的近场的相互作用,
所以光激发CNT可以零辐射地将能量转移到GNF的定域等离子体激元模式。通
过计算等离子体激元模式的定域场和等离子体激元激子的相互作用的矩阵元,我
们发现了等离子激元的生成速率最高的spaser的最优几何参数和材料参数。得到
的结果可以证明,对等离子体纳米电路设计强大的和超级紧密连贯的的表面等离
子体激元光源,将会非常有用。
关键词
表面等离子体激元纳米激光器;石墨烯;碳纳米管;量子等离子体;光学器
件
正文
纳米等离子体提供了超快制造超速纳米电路的巨大新机遇,因为它可以突破
常规的光波衍射极限而微型化。可以利用表面等离子体激元(SPs)在金属-电介
质界面的电子集体振荡去携带处于纳米尺度的信息。利用SP去激励电路,需要一
个类似于电子晶体管或光学激光的激活装置。通过辐射的受激发射放大表面等离
子体激元,在活性等离子体装置中可被用于产生SP,这种现象被称为spaser。
spaser的运作,要求增益介质的激发能能被零辐射转移到耦合等离子体谐振器中,
以增大其定域的SP模式的振幅。
通过SP受激辐射放大,spaser能产生比那些构建于金属表面由激光源激励的
更强更连贯的等离子场。最近SP的受激辐射的实验,实现了spaser的第一个实用
性应用——一个被染料掺杂的二氧化硅包裹的球形金纳米颗粒。spaser的运行特
征,诸如等离子激元的生成速率,发射波长,SP的品质因子以及阈值增益,强烈
依赖于其几何形状和组成。因此,许多spaser的设计方案已被提出并进行分析,
以寻求性能上的最佳。这些包括一个位于光泵浦多量子阱(QW)之间的金箔等
离子体激元波导,一个由量子点(QD)包裹的V形的金属纳米颗粒,一个在有源
基底上的环缝谐振器的阵列,一个领结形束缚量子点金属结构和一个在其底部的
带量子点的金属纳米凹槽。所有这些设计都是基于不同几何形状的贵金属等离子
体激元谐振腔,并被耦合到半导体量子点/量子阱的增益介质。这里我们提出一
个独创的设计,搭载一个耦合的碳纳米管(CNT)形成石墨烯等离子体激元谐振器
(或腔),构建的全碳表面等离子体激元纳米激光器。此设计基于碳材料的许多优
点,包括机械强度和柔韧性,热稳定性和化学稳定性,以及在生物医学应用中的
实用性。
石墨烯和碳纳米管是两种碳的同素异形体,由于其非凡的光学和电学性能,
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广泛应用于光电子领域。它们具备一个蜂巢式的晶格结构,碳原子处在sp杂化
状态。此外,石墨烯等离子体激元具有更易束缚,更低的损耗和更高的可调谐性
的特性都优于贵金属的SP。石墨烯还提供了一个独特的为实现并研究强光与物质
之间的相互作用的操作场所。所有这些特性使得石墨烯成为了最佳的spaser谐振
腔。
石墨烯可以传播的SP的性能被一个无限长的由量子点包裹的石墨烯纳米带
进行了理论证明。我们考虑一个更现实的情况,石墨烯纳米片(GNF)的SP从有限
长CNT获得增益。众所周知,半导体碳纳米管可以维持激子,这可以通过光吸收
被构建,并且所具有的吸收和发射参数,都强烈依赖于CNT的手性。这些特性使
得CNT成为了spaser的完美增益介质。
在这些被提供的spaser设计方案中,由GNF维持的SP通过与CNT的激子相
互作用获得增益。为了研究这种相互作用,可以利用适当的spaser量子力学模型。
虽然许多理论模型普遍地描述了spaser运作的各个方面,在这里,考虑到定域石
墨烯SP模式的简并性造成的影响,我们选择了最优的一种。在本文中,我们首
先研究了石墨烯等离子体激元的性质,然后进行探究CNT增益介质的特性。特别
地,我们获得了所设计的spaser的运作特性,并讨论其可调谐性。
结果与讨论
Spaser的设计。在图1所示的spaser设计图中,采用了正方形的石墨烯纳米
片(GNF)作为等离子体激元谐振器。GNF形状的这种选择的是考虑到制造的简单
性。尽管任何矩形石墨烯片都是很容易制造的,但是
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