导读

    表面等离体激元是自由电荷和电磁波耦合形成的集体电磁振荡模式，能够在纳米尺度上操纵光与物质的相互作用。不同金属结构中的等离体激元的色散模式取决于它们的空间维数，并且已经在基础物理学和应用技术中得到深入研究。加州大学伯克利分校王胜及其导师王枫和合作者最近报导了来自一维碳纳米管和二维石墨烯形成的混合维度范德华异质结构中的杂化等离体激元[1]。金属碳纳米管中等离体激元具有同常规等离体激元截然不同的量子特性，其等离体激元特性与载流子密度无关，故而无法通过栅极电压调控[2][3][4]。与此相反，碳纳米管/石墨烯异质结构中的等离体激元波长能够被栅极电压连续调控，且调控幅度高达75%，并与此同时保持了一维体系中等离体激元超空间压缩和低损耗的优异特性。这表明混合维度范德华异质结构能够实现兼具各种不同功能的电可调控的等离体激元纳米元件。该成果发表在国际期刊《Nature Communications》上[1]。

通讯作者：王胜,SeokJae Yoo, 王枫,伯克利

研究背景

    表面等离体激元是自由电荷和电磁波耦合形成的集体振荡模式, 并能在超越衍射极限的纳米尺度之下调控光与物质的相互作用。材料体系的空间维度对等离体激元的特性有深远的影响。在碳纳米管等一维材料中，电子之间的强关联相互作用形成Luttinger液体，导致一维Luttinger液体体系呈现特殊的量子等离体激元特性。在金属性碳纳米管中，等离体激元结合了非色散的传播速度，深亚波长局域，以及低损耗等优异特性，但由于该体系中的量子等离体激元不随载流子浓度变化故而无法被栅极电压调控[2][3][4]。被氮化硼二维薄膜包裹的二维石墨烯中的等离体激元能够很好地被栅极电压调控。不同维度材料之间等离体激元的耦合可以极大地改变等离体激元的色散性质并呈现新的性能，然而这种混合维度材料中的等离体激元模式尚未得到探测。

创新研究

    鉴于此，加州大学伯克利分校王胜及其导师王枫和合作者设计并制备了碳纳米管/氮化硼/石墨烯混合维度的范德华异质结构并研究了该混合维度异质结构中碳纳米管等离体激元和石墨烯等离体激元的强耦合作用。亮点如下：

    亮点1. 借鉴二维材料中的基于温控黏性塑料薄膜的干法转移堆叠技术，成功可控地制备了干净的碳纳米管/氮化硼/石墨烯混合维度异质结构，并用自己搭建的灵敏度极高的扫描近场光学显微镜系统性地研究了该体系中的杂化等离体激元模式。

图1：碳纳米管(SWNT)/氮化硼(h-BN)/石墨烯(Graphene)混合维度异质结构中等离体激元的红外纳米成像。

    a SWNT/h-BN/Graphene异质结构中等离体激元的红外纳米成像示意图。设计的混合维度异质结构通过基于温控黏性塑料薄膜的干法转移堆叠技术实现，自上而下布局为SWNT/Top h-BN/Graphene/Bottom h-BN/SiO2/Si。石墨烯载流子密度可以通过施加的栅极电压Vg所连续调控。为实现基于扫描近场光学显微镜的红外纳米成像，使用波长为10.6 μm的红外激光照射原子力显微镜的针尖尖端并收集来自尖端的弹性散射光。b 石墨烯和顶部h-BN层的边界分别用黑色和绿色虚线勾勒出轮廓。石墨烯和顶部h-BN之间的重叠区域以及其顶部的碳纳米管（光学不可见）构成了SWNT/h-BN/Graphene异质结构。c , d 异质结构代表性区域的高度像和相应的近场图像。c 中的M1和M2是金属碳纳米管，由于等离体激元的激发，在近场图像中具有明亮的对比度，而c 中的S是半导体碳纳米管，由于缺乏自由电子，近场响应可忽略不计。

    亮点2. 通过栅极电压电调控石墨烯中等离体激元的波长以实现同金属碳纳米管中等离体激元波长相匹配，从而实现两种等离体激元模式的强耦合作用。该强耦合作用形成的杂化等离体激元兼具了碳纳米管等离体激元深亚波长局域以及低损耗的特性，同时也具有石墨烯等离体激元电可调控的特性。这些特性是单一体系中等离体激元难以兼具的，故而这种混合维度等离体激元体系能够实现兼具各种优异性能的电可调控的纳米光学器件。

图 2：碳纳米管(SWNT)/氮化硼(h-BN)/石墨烯(Graphene)异质结构中的栅极电压可调控的等离体激元。

    a 长SWNT M1的高度像。b – i 在40到-100 V的不同栅极电压下SWNT M1的相对应的近场图像。与碳纳米管平行的双条纹源于针尖尖端激发和碳纳米管反射的石墨烯等离体激元波之间的干涉。随着栅极电压的增加，双条纹变得更加明显且更加分开。这种演化表明石墨烯载流子密度和相应的石墨烯等离体激元能够由施加的栅极电压连续调节。我们清楚地观察到碳纳米管末端附近显著的近场信号振荡，并且它们敏感地依赖于栅极电压。等离体激元波长λp等于近场图像中振荡周期的两倍，由白色双箭头（d和i）所标记，并且随着栅极电压远离0V而变得更长。j 短SWNT M2的高度像。k – s SWNT M2在40到-120 V的各种栅极电压下的相对应的近场图像。SWNT M2作为法布里-珀罗等离体激元纳米腔，其中传播的等离体激元在纳米腔两端来回反射并产生集体响应。从m - s，波腹的数量从7减少到4，实现的等离体波激元调控幅度约为 75%。

参考文献

[1] Wang, Sheng et al. Gate-tunable plasmons in mixed-dimensional van der Waals heterostructures. Nature Communications 12, 5039 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25269-0

[2] Wang, Sheng, et al. "Nonlinear Luttinger liquid plasmons in semiconducting single-walled carbon nanotubes." Nature Materials 19, 986-991 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0652-5

以及本公众号往期文章“半导体碳纳米管中的非线性拉廷格液体等离体激元”。

[3] Wang, Sheng, et al. "Logarithm Diameter Scaling and Carrier Density Independence of One-Dimensional Luttinger Liquid Plasmon." Nano Letters 4, 2360-2365 (2019):2360-2365. 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b05031

[4] Wang, Sheng, et al. "Metallic Carbon Nanotube Nanocavities as Ultra-compact and Low-loss Fabry-Perot Plasmonic Resonators." Nano Letters 4, 2695-2702 (2020). 

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c00315

以及本公众号往期文章“NanoLett.：金属碳纳米管纳米腔：超紧凑和低损耗法布里-珀罗等离激元谐振器”。

文章链接

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25269-0

本文转自：https://mp.weixin.qq.com/s/4e2wo8OnMiGt6WADQ_4AXw

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