Nature Materials:石墨烯-等离子体激元

图图

• 【导读】

在范德瓦尔斯材料中的等离子体激元，有望用于各种光子学应用。在等离子体激元腔和纳米级电路中，高载流子密度空间图案的确定性印记，实现了先进的非线性纳米光子学和强光-物质相互作用平台。基于石墨烯的等离子体纳米结构为在纳米尺度上实现工程化的光-物质相互作用提供了新的机会。目前，实现石墨烯中的等离子体纳米结构的策略主要集中在使用纳米光刻技术对石墨烯进行物理刻蚀，或通过金属-绝缘体-金属结构的门极调制来调节载流子密度分布。

二、【成果掠影】

近日，美国 哥伦比亚大学（Columbia University）Brian S. Y. Kim，D. N. Basov等报道了一种氧化激活电荷转移oxidation-activated charge transfer（OCT）策略，实现了可编程的、双极、低损耗、石墨烯等离子体激元结构。利用过渡金属二硫属元素化物覆盖石墨烯，并随后将过渡金属二硫属元素化物氧化成过渡金属氧化物，然后激活了源于过渡金属氧化物和石墨烯之间不同功函数的电荷转移。纳米红外成像技术揭示了，过渡金属氧化物/石墨烯界面的双极低损耗等离子体激元。相关研究成果以“Ambipolar charge-transfer graphene plasmonic cavities”为题在Nature Materials上发表。

三、【核心创新点】

√通过连续石墨烯晶体和近端过渡金属氧化物（TMO）层之间的功函数失配进行的电荷转移掺杂实现异质结构的定制，内部的能带排列自然地在组成层上产生内置电势，并诱导电荷转移。这些等离子体激元器件在不需要选通的情况下工作，允许产生高载流子密度，而没有电击穿的风险。

四、【数据概览】

图1按需石墨烯等离子体的氧化激活电荷转移（OCT）。（a） OCT方法的示意图。在温度T = 300 K和ω = 980 cm^-1下，WOx/石墨烯（b）和WOx/1L-WSe₂/石墨烯（c）的纳米红外散射幅度图像。（d）WOx/石墨烯异质结的纳米红外散射幅度信号S(r,ω)的图像。© 2023NPG

图2在范德华光学相干断层扫描结构中实现可重构双极载流子密度和高等离子体质量因子。（a）WOx/graphene在ω = 870 cm^-1（左）和ZrOx/graphene在ω = 1,040 cm^-1（右）处的纳米红外散射振幅S(r,ω)随SiO₂/Si背门电压Vg的变化情况。 （b）ZrOx/graphene（顶部）和WOx/graphene（底部）动量实部q'随Vg的变化情况。（c）TMO/graphene界面处石墨烯费米能级EF随间隔层厚度t的变化情况。（d）WOx掺杂和ZrOx掺杂的石墨烯异质结在平衡态下的能带对齐情况。（e）一系列红外频率ω和不同厚度WSe₂或hBN隔离层的品质因子Q。（f）Q随层厚度t的变化情况。© 2023NPG

图3基于可编程氧化激活电荷转移OCT的纳米压印石墨烯等离子体激元腔。（a）使用转移的hBN掩膜，在连续的石墨烯单层上通过紫外臭氧处理印制等离子腔体。（b）器件的光学图像。（c）WOx/1L-WSe₂/石墨烯异质结在T=300 K和ω=980 cm^-1下的纳米红外图像S(r,ω)。© 2023NPG

图4封装在氧化钨WOx中，悬浮石墨烯等离激元空腔中的回音壁模式。（a）嵌入在适度掺杂的hBN支撑的WOx/graphene结构中的悬浮WOx/graphene/WOx等离子体腔的示意图。（b）器件的光学图像。（c）半径约为500纳米的腔中悄悄话模式的近场图像S(r,ω)。 （d）相应的数值本征模拟结果。比例尺为200纳米。© 2023NPG

五、【成果启示】

这项工作使用氧化激活电荷转移（OCT）创建双极性和低损耗电荷转移石墨烯等离子体腔。低损耗模式的等离子体特征为量子腔、等离子体传感器和结合范德华材料的腔光机械系统中定制的强光-物质耦合开辟了途径。此外，使用OCT产生横向突变载流子密度分布的能力建立了一个通用平台，该平台能够压印用于极化激元波前工程和亚波长透镜的纳米级元件。盖公作开发的在接近本征损耗极限下具有高密度的双极电荷转移等离子体界面证明了TMO作为高质量双极电荷转移材料的惊人能力。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01520-5

本文由图图供稿