Graphene plasmonics: Physics and potential applications
石墨烯中的等离子体激元具有许多独特的性质。它起源于无质量狄拉克费米子的集体运动，其载流子密度依赖性与传统等离子体激元截然不同。此外，石墨烯等离子体激元是高度可调谐的，并显示出强大的能量约束能力。最有趣的是，作为一个原子薄层，石墨烯及其等离子体对周围环境非常敏感。石墨烯等离子体激元强烈耦合到衬底的极性声子、吸附物的分子振动和其他原子薄层的晶格振动。在这篇综述文章中，我们将介绍在石墨烯等离子体领域的最重要的进展。内容包括太赫兹等离子体激元、中红外等离子体激元、等离子体激元-声子相互作用和潜在应用。石墨烯等离子体为可重构超材料和超表面开辟了一条道路。它是纳米光子学和等离子体学研究领域中一个令人兴奋和有前途的新课题。
2016-07-19 cond-mat.mes-hall
Towards twisted, topological, and quantum graphene plasmonics
University of Porto（波尔图大学）；University of Minho（米尼奥大学）；International Iberian Nanotechnology Laboratory（国际伊比利亚纳米技术实验室）；University of Southern Denmark（南丹麦大学）
本文研究了基于石墨烯的等离子体系统量子和拓扑性质，探讨了单层石墨烯、扭曲双层石墨烯及其他石墨烯堆叠材料，以及石墨烯基光栅、网格、石墨烯盘链和三角形晶格等结构的等离子体特性。
2026-03-27 cond-mat.mes-hall
Graphene plasmonics
两个丰富而充满活力的研究领域，石墨烯物理学和等离子体，强烈重叠。石墨烯不仅具有可调谐和可调节的固有等离子体激元，而且石墨烯与贵金属纳米结构的组合有望为传统等离子体激元提供各种令人兴奋的应用。石墨烯的多功能性意味着石墨烯基等离子体可以制造工作在从太赫兹到可见光的不同频率范围内的新型光学器件，具有极高的速度，低驱动电压，低功耗和紧凑的尺寸。在这里，我们回顾了在石墨烯物理学和等离子体激元交叉点出现的领域。
2013-01-17 cond-mat.mes-hall
Surface plasmons at the interface between graphene and kerr-type nonlinear medium
研究了石墨烯与克尔型非线性介质界面上三维局域表面等离子体激元的性质。与金属表面的表面等离子体激元相比，由于不可避免的非线性折射效应，等离子体激元的约束可以提高到没有非线性贡献的石墨烯等离子体激元的三倍，但相对传播长度几乎相同。此外，石墨烯等离激元的色散关系和传播距离可以通过改变石墨烯的费米能级、温度和弛豫时间来控制。我们的研究结果表明，一个简单的，但有用的潜在应用，精密的非线性材料传感器使用石墨烯等离子体。
2011-12-07 cond-mat.mes-hall
Regular quantum plasmons in segments of graphene nanoribbons
石墨烯等离子体激元具有贵金属等离子体激元无法比拟的优势，例如高可调谐性和低损耗。然而，对于小于10 nm的石墨烯纳米结构，尽管它们具有潜在的应用，但对它们的等离子体激元或是否存在规则的等离子体激元行为知之甚少。在这里，我们提出了第一性原理计算的锯齿形石墨烯纳米颗粒段的等离子体激元激发。发现了规则的等离子体行为：在低能区（< 1.5 eV）仅存在一个等离子体模式。当宽度（W）大于1.5 nm时，经典的静电标度律仍然近似成立，但当W < 1.5 nm时，由于量子效应，经典的静电标度律完全失效。不同掺杂浓度下的标度表明，等离子体激元近似为自由电子等离子体激元，而不是狄拉克等离子体激元。
2013-08-15 cond-mat.mes-hall
Ultrafast Dynamics of Plasmon-Exciton Interaction of Ag Nanowire-Graphene Hybrids for Surface Catalytic Reactions
利用超快泵浦-探测瞬态吸收光谱技术，在可见-近红外波段对石墨烯-银纳米线杂化材料的飞秒等离子体激子相互作用进行了实验研究。银纳米线的等离子体激元寿命约为150飞秒（fs）。对于单层石墨烯，在275 fs处的快速动力学过程是由于石墨烯激子的激发，而在1.4皮秒（ps）处的缓慢过程是由于等离子体激元热电子与石墨烯声子的相互作用。对于石墨烯-Ag纳米线杂化材料，等离子体激元诱导的热电子向石墨烯的转移时间尺度为534 fs，金属等离子体激元增强的石墨烯等离子体激元在可见光区的时间尺度约为3.2 ps.石墨烯-银纳米线杂化物可用于等离子体激元驱动的化学反应。这种石墨烯介导的表面增强拉曼散射基底与单层石墨烯或单个Ag纳米线单独驱动的反应相比，显著增加了由石墨烯-Ag纳米线杂化共同驱动的表面催化反应的概率和效率。这意味着石墨烯-Ag纳米线杂化物不仅可以导致高密度热电子的显著积累，而且由于强的等离子激元-激子耦合，还可以显著增加等离子激元到电子的转换效率。
2016-08-06 cond-mat.mes-hall
Plasmons in graphene on uniaxial substrates
将石墨烯放置在单轴衬底上可能对石墨烯基光子和光电子器件具有有趣的应用潜力。在这里，我们解析地推导出单轴衬底上的石墨烯等离子体激元的色散关系，并讨论它们的动量，传播长度和偏振作为频率，传播方向和基底的正常和异常介电常数的函数。我们发现，等离子体激元表现出各向异性的传播，产生径向不对称的场模式时，点发射器发射等离子体在石墨烯层。
2013-12-16 cond-mat.mes-hall
Damping of Terahertz Plasmons in Graphene Coupled with Surface Plasmons in Heavily-Doped Substrate
从理论上研究了太赫兹（THz）频率下石墨烯中的等离子体与重掺杂衬底中表面等离子体的耦合。我们发现，巨大的散射率可以完全衰减等离子体激元，因此适当选择材料和几何参数对于抑制耦合效应并获得石墨烯中的最小阻尼率至关重要。即使掺杂浓度为10^{19} - 10^{20} cm^{-3}，石墨烯和衬底之间的介电层厚度为100 nm，这是具有重掺杂衬底的真实石墨烯样品中的典型值，与声学声子限制的阻尼率相比，阻尼率的增加也不可忽略。研究了阻尼率与波数、石墨烯与衬底和栅极与石墨烯间隔的厚度、衬底掺杂浓度和周围材料的介电常数的关系。结果表明，阻尼率可以大大降低的栅极屏蔽，这抑制了石墨烯等离子体激元到衬底中的场扩展。
2014-01-15 cond-mat.mes-hall
Unconventional plasmon-phonon coupling in graphene
利用自洽线性响应理论计算了石墨烯中等离子体激元和内禀光学声子的杂化。我们发现，纵向等离子体激元（横向磁模式）只耦合到横向光学声子，而石墨烯的横向等离子体激元（横向电模式）只耦合到纵向光学声子。这种偏振的混合与其他系统中通常的等离子体-声子耦合相反。通过增加载流子的浓度，对于横向（纵向）声子，声子频率的所得变化增加（减小）。
2011-04-04 cond-mat.mes-hall
Plasmon Generation through Electron Tunneling in Graphene
石墨烯等离子体相对于光波长的短波长使其在光电子学和传感领域的应用具有吸引力。然而，这种特性限制了它们与外部光的耦合以及我们创造和检测它们的能力。因此，期望产生等离子体激元的更有效的方式。在这里，我们证明，通过现实的理论模拟，石墨烯等离子体可以有效地激发通过电子隧穿在由两个石墨烯单层由几个原子层的hBN分离形成的三明治结构。我们得到的等离子体激元产生率的$\sim10^{12}-10^{14}/$ s的平方等离子体激元波长的区域上的间距和偏置电压的现实值，而产量（等离子体激元每隧穿电子）具有统一的顺序。我们的研究结果支持在隧穿器件中的石墨烯等离子体激元的电激发作为一种可行的机制，用于开发无光学的石墨烯等离子体激元器件。
2017-08-25 cond-mat.mes-hall
Efficient nonlinear generation of THz plasmons in graphene and topological insulators
石墨烯中的表面等离子体可以提供贵金属等离子体的有吸引力的替代方案，这是由于其更紧密的限制、特有的色散和更长的传播距离。我们目前的理论研究的非线性差频产生的太赫兹表面等离激元模式支持的二维层的无质量狄拉克电子，其中包括石墨烯和表面态的拓扑绝缘体。我们的研究结果表明，在等离子体共振附近的DFG效率的强烈增强和相位匹配的非线性产生的等离子体激元在很宽的频率范围内的可行性。
2013-12-01 cond-mat.mes-hall
Graphene plasmons and retardation: strong light-matter coupling
我们研究了掺杂的石墨烯等离子体激元的延迟制度，由未延迟的等离子体激元和光锥的名义交叉。除了在等离子体色散关系中的修改之外，延迟意味着传播光和物质之间的强耦合，即使对于均匀的石墨烯，这也开辟了在简单的石墨烯设备中有效的等离子体的可能性。我们在双层结构中，表现出{ \em完美}（如果无损耗）的光传输在一个经典的禁止区域，提供了一个简单的模拟相应的现象在穿孔的金属片的增强。我们还表明，（宽）Fabry-Pérot共振目前没有石墨烯变成尖锐的峰值，准离散模式的存在下，石墨烯的响应函数是由典型的Fano线形。
2012-07-20 cond-mat.mes-hall
Confined Plasmons in Graphene Microstructures: Experiments and Theory
石墨烯是一种具有高迁移率和可调电导率的二维材料，特别适合于等离子体激元。体石墨烯中的等离子体激元的频率色散已经在理论和实验上进行了研究，而没有理论模型已经被报道，并针对石墨烯微结构中的受限等离子体激元模式的实验进行了测试。在本文中，我们提出了实验测量以及分析和计算模型，这样的限制模式。我们比较实验测量与理论的等离子体激元模式在相互作用的石墨烯条阵列，并表现出良好的协议。实验和理论结果之间的比较揭示了相邻石墨烯结构的等离子体激元模式之间的相互作用所发挥的重要作用。
2013-03-06 cond-mat.mes-hall
Active graphene plasmonics with a drift-current bias
我们从理论上证明了由碳化硅衬底上的漂移电流偏置石墨烯片形成的系统能够实现损耗补偿和等离子体激元放大。石墨烯片的主动响应植根于石墨烯等离子体激元的光泵浦，其具有由流动载流子提供的增益。所提出的系统作为一个光学放大器的等离子体与漂移电子共同传播和作为一个强衰减器的对等离子体。此外，我们表明，通过连接系统的输入和输出，例如，因为环形石墨烯-碳化硅纳米谐振器与漂移电子所提供的光学增益相结合，可能导致Spasing。
2020-09-19 cond-mat.mes-hall
Nonequilibrium plasmons with gain in graphene
石墨烯支持强约束的横向磁片等离子体激元，其光谱特性取决于狄拉克粒子的能量分布。问题是，当石墨烯被泵入反转状态时，等离子体振子是否会被放大。在建立动态非平衡极化率的理论时，我们能够确定光反转石墨烯的精确复频率等离子体激元色散，并研究掺杂、碰撞损耗和温度对等离子体激元增益的影响。我们自洽地计算了自发发射谱和载流子复合率，并与基于费米黄金法则的近似结果进行了比较。我们的研究结果表明，在现实条件下，等离子体激元的放大是可能的，但不可避免地与超快自发发射竞争，这对于本征石墨烯来说，比以前估计的快5倍。这项工作对非平衡等离子体激元的性质有了新的认识，并可能有助于基于石墨烯的有源等离子体激元器件的实验实现。
2015-02-04 cond-mat.mes-hall
Plasmon-phonon Strongly-Coupled Mode in Epitaxial Graphene
我们报告的色散测量，使用角分辨反射电子能量损失光谱（AREELS），在二维（2D）等离子体在单层和多层石墨烯的表面光学声子（FK声子）模式的碳化硅衬底强烈耦合。耦合模在单层和双层石墨烯中表现出离散的色散行为。随着SiC（0001）上石墨烯层的增加，观察到从类等离子体激元分散到类声子分散的转变。对于类等离子体激元模，色散在进入单粒子连续区时被电子-空穴对激发强烈阻尼，而类声子模是无阻尼的。在没有耦合的区域中，石墨烯2D等离子体表现出具有线性色散的声学行为，其斜率和阻尼由费米表面拓扑结构确定。
2009-10-14 cond-mat.mes-hall
Tunneling Plasmonics in Bilayer Graphene
我们报告了由于相邻石墨烯层之间的电子隧穿等离子体效应的实验签名。在亚纳米分离下，这样的层可以形成具有Bernal堆叠的强耦合双层石墨烯或具有随机堆叠顺序的弱耦合双层石墨烯。由于层间隧穿的影响在前一种情况下占主导地位，但在后者可以忽略不计。我们通过红外纳米成像发现，与单层和双层石墨烯相比，双层石墨烯支持具有更高限制程度的等离子体，这是层间隧穿的直接结果。此外，我们能够通过在宽电压范围内的门控关闭双层石墨烯中的等离子体激元。理论模型表明，这种等离子体激元关闭区域直接与双层石墨烯的带隙绝缘状态有关：这是层间隧穿的另一个含义。我们的工作揭示了双层石墨烯中的基本等离子体性质，并提出了在石墨烯少层中实现新型等离子体功能的可能性。
2015-08-31 cond-mat.mes-hall
Plasmon dissipation in gapped-graphene open systems at finite temperature
数值和封闭形式的解析表达式的等离子体色散关系和耗散率的第一次获得在有限温度下的自由站立的带隙石墨烯。这些封闭系统的结果被推广到一个开放的系统与库仑耦合的石墨烯电子的外部电子库。在这个开放系统中发现了新的等离子体激元模式以及新的等离子体激元耗散通道，包括由电子的热激发和带隙石墨烯中的能带隙的组合效应引起的显著修改。此外，可以通过调节石墨烯层与厚导体的表面之间的间隔来完全控制新的等离子体激元模式和附加的等离子体激元耗散的特性。数值计算结果的等离子体激元的频率在掺杂间隙石墨烯层的热偏移，以及其对局部环境的敏感性，进行了演示和分析。与等离子体激元的频移相关联的这种现象可以应用于晶体管和纳米等离子体激元结构中的局部电子温度的直接光学测量。
2015-10-08 cond-mat.mes-hall
Electrical plasmon detection in graphene waveguides
我们提出了一个简单的设备架构，允许在石墨烯波导等离子体激元的全电检测。我们的电等离子体激元检测方案的关键原理是描述在室温下和在宽范围的载流子密度下石墨烯中的传输的流体动力学运动方程的非线性性质。这些非线性响应于传播的等离子体激元的振荡场而产生直流电压。为了说明的目的，我们计算的直流电压所产生的传播的最低能量模式在一个完全的分析方式。我们的全电等离子体探测器件架构为石墨烯等离子体波导在电子电路中的集成铺平了道路。
2015-02-05 cond-mat.mes-hall
Plasmons in a Planar Graphene Superlattice
研究了平面石墨烯超晶格中的等离子体激元集体激发，该超晶格由周期性交替的无间隙石墨烯及其带隙改性区域形成。的等离子体激元色散定律确定为准一维的情况下（费米能级位于minigap内）和准二维的情况下（费米能级位于miniband内）。还考虑了等离子体激元激发时调制电磁辐射的吸收问题。
2016-04-30 cond-mat.mes-hall
Large-area nanoengineering of graphene corrugations for visible-frequency graphene plasmons
石墨烯载流子的量子限域是对其性质进行调控的有效途径。它通常通过与迁移率的恶化和等离子体共振的强抑制相关联的物理边缘来实现。在这里，我们展示了一个简单的，大面积的，无边缘的纳米结构化技术，基于放大随机的纳米级结构波纹的水平，他们有效地限制载流子，而不会引起显着的谷间散射。这种软限制允许石墨烯等离子体的低损耗横向超限制，将其共振频率从原生太赫兹放大到商业相关的可见光范围。可见的石墨烯等离子体定位到纳米波纹介导几个数量级更强的光-物质相互作用（拉曼增强）比以前实现的石墨烯，使特定分子的检测从飞摩尔溶液或环境空气。此外，纳米波纹石墨烯片还支持传播可见等离子体振子模式，通过扫描近场光学显微镜观察它们的干涉图案来揭示。
2022-01-19 cond-mat.mes-hall
Directional dependence of the plasmonic gain and nonreciprocity in drift-current biased graphene
在这里，我们调查的非互易性传播和放大的漂移电流偏置的石墨烯表面等离子体，使用伽利略和相对论型多普勒频移变换的石墨烯的导电性。与以前的研究一致，这两个电导率模型预测强烈的非互易传播的表面等离子体由于漂移电子所造成的拖曳效应。特别是，伽利略多普勒频移模型导致更强的光谱不对称性的等离子体色散与制度的单向传播。值得注意的是，它示出了两个电导率模型预测制度的非互易等离子体激元放大在一个宽的角度扇区的平面内方向时，漂移电流偏置的石墨烯片耦合到等离子体激元衬底（即，SiC），与等离子体激元放大率是相当高的相对论多普勒频移模型。
2022-11-01 cond-mat.mes-hall
Electrodynamic properties of graphene and their technological applications
石墨烯是一种新型的二维材料，具有迷人的电动力学特性，如支持集体电子振荡（等离子体）伴随着电磁场的紧密限制的能力。我们的目标是在等离子体和其他技术应用的背景下探索石墨烯中的光-物质相互作用，同时也将石墨烯用作研究许多身体物理学的平台，如等离子体，声子和其他基本激发之间的相互作用。在自洽线性响应近似下分析了等离子体激元和等离子体激元-声子相互作用。我们表明，电子-声子相互作用导致大的等离子体激元阻尼时，等离子体激元的能量超过光学声子，但也是一个奇特的混合等离子体激元和光学声子的偏振。当这两种激发具有相似的能量和动量时，等离子体声子耦合最强。我们还分析了双层石墨烯中横向电等离子体激元的性质。最后，我们表明，热激发的等离子体激元强烈介导和增强近场辐射传输之间的两个紧密分离的石墨烯片。我们还表明，石墨烯可以用作热发射器在近场热光致发光导致大的效率和功率密度。在波动电动力学的框架下分析了近场传热。
2013-03-14 cond-mat.mes-hall
Plasmons in dimensionally mismatched Coulomb coupled graphene systems
我们计算了库仑耦合金属扶手椅型石墨烯纳米带和掺杂单层石墨烯的等离子体色散关系。发生在未耦合的1D和2D系统中的等离子体激元曲线的交叉被层间库仑耦合分裂成下部和上部等离子体激元分支。上分支表现出非常不寻常的行为，端点在有限的$q$。因此，结构因子根据等离子体激元波长显示出单峰或双峰行为。新的等离子体激元结构与最近的实验相关，其性质可以通过改变系统参数来控制，并可用于等离子体激元应用。
2017-09-11 cond-mat.mes-hall
Confining graphene plasmons to the ultimate limit
石墨烯等离子体激元由于其可调谐性、长寿命和在垂直方向上的高度场限制而最近吸引了大量的关注。附近的金属栅极已被证明可以改变石墨烯等离子体激元分散并进一步限制它们的电场。我们研究了沉积在金属上的石墨烯片的等离子体激元，在该制度中，金属带不与无质量狄拉克费米子带杂交。我们推导出这样的混合系统的等离子体激元的色散和寿命的精确结果，考虑到金属的非局域性。石墨烯等离子体激元分散被发现是声学的，并且在能量上被向下推到带内石墨烯粒子-空穴连续体的上边界，从而强烈地增强了这些激发的垂直限制。发现由于金属栅极中的粒子-空穴激发引起的这种声等离子体激元的朗道阻尼令人惊讶地弱，品质因数超过$Q = 10^{2}$。
2018-02-19 cond-mat.mes-hall
Plasmons in tunnel-coupled graphene layers: backward waves with quantum cascade gain
由石墨烯和相关层状材料组成的范德华异质结构中的等离子体激元表现出深亚波长限制和大的传播长度。在这封信中，我们表明，石墨烯-绝缘体-石墨烯隧道结构可以作为等离子体增益介质。增益源于受激电子隧穿伴随着层间粒子数反转下相干等离子体激元的发射。在对应于具有共线动量的电子状态之间的跃迁的频率和层间电压的特定值下，具有等离子体发射的隧穿概率似乎是共振大的-这是石墨烯的线性能带结构所特有的特征。等离子体激元的色散由于隧穿也经历了相当大的转变，在几个频率范围内表现出负群速度。
2016-03-13 cond-mat.mes-hall
Hybrid graphene plasmonic waveguide modulators
石墨烯独特的光学和电子性质使人们能够实现有源光学器件。虽然已经证明了几种类型的基于石墨烯的光子调制器，但将石墨烯的多功能性与等离子体/金属结构的亚波长场限制相结合的潜力尚未完全实现。在这里，我们报告的混合石墨烯等离子体调制器的制造和研究。我们考虑了几种类型的调制器，并确定了最有前途的光调制在电信和近红外。我们的概念验证结果为在芯片上实现用于光通信的高效石墨烯基有源等离子体波导器件铺平了道路。
2016-09-15 cond-mat.mes-hall
Guided plasmons in graphene p-n junctions
石墨烯中电子和空穴的空间分离引起局限于边界区域的等离子体波的存在。发展了电子空穴液体流体动力学中的这种引导等离子体激元模式的理论。当等离子体激元波长小于带电畴尺寸时，等离子体激元色散为ω~ q^（1/4）。通过外加电场可以很容易地控制等离子体导模的频率、速度和传播方向。在有磁场存在的情况下，得到了附加的无带隙磁等离子体激元激发谱。我们的研究结果表明，石墨烯是一种很有前途的纳米等离子体材料。
2010-04-16 cond-mat.mes-hall
Comment on "Dielectric screening and plasmons in AA-stacked bilayer graphene"
在这篇评论中，我们指出了题为“AA堆叠双层石墨烯中的介电屏蔽和等离子体激元”的论文中的一些方程和结果是不正确的。此外，我们提出了我们的结果，这似乎是更正确的。
2014-10-17 cond-mat.mes-hall
Nonlinear atom-plasmon interactions enabled by nanostructured graphene
电可调石墨烯等离子体有望实现与共振量子发射器的强光-物质相互作用。然而，石墨烯中的等离子体共振通常限于红外频率，低于鲁棒量子光源和许多生物学上感兴趣的分子中的光学激发的频率。在这里，我们建议利用纳米结构石墨烯的等离子体辅助的非线性光学响应所产生的近场与在近红外操作的邻近量子发射器共振耦合。我们发现，石墨烯纳米盘产生的非线性近场可以强烈激发和相干控制量子态在二能级和三能级原子系统时，其等离子体共振的三次谐波被调谐到一个特定的电子跃迁。在本方案中，发射体和等离子体共振是非简并的，避免了自发发射的强烈增强。我们设想的非线性等离子体激元耦合方案在传感和时间量子控制的潜在应用。
2019-03-26 cond-mat.mes-hall
Finite temperature dynamical polarization and plasmons in gapped graphene
在本研究中，我们报告了在无规相位近似下，掺杂单层带隙石墨烯的有限温度非相互作用动力学极化函数、等离子体激元模式和电子能量损失函数的数值结果。我们发现线性能带色散、手性、带隙和温度的相互作用赋予了单层带隙石墨烯奇异的极化率行为，它是2DEG、单层和双层石墨烯的混合物，因此等离子体激元光谱也表现出惊人的奇特行为。观察到等离子体激元分散被抑制，直到温度高达~0.5Tf，类似于无带隙石墨烯的情况，但超过0.5Tf，对于带隙的所有值，在带隙石墨烯中看到趋势的逆转。电子能量损失函数的密度图也证实了这种行为。一个小的间隙的开放也产生一个新的无阻尼等离子体激元模式，被发现在高温下消失。进一步发现带间隙的石墨烯的等离子体行为受到带间隙的石墨烯片所处的衬底的巨大影响，这表明在制造期望的基于石墨烯的等离子体器件时需要仔细选择衬底。
2015-04-06 cond-mat.mes-hall
Excitation of localized graphene plasmons by a metallic slit
在本文中，我们表明，石墨烯表面等离子体激元可以激发时，电磁波包撞击在一个单一的金属狭缝覆盖的石墨烯。在吸收光谱中的特征峰揭示了在狭缝上局部化的等离子体激元的激发。它示出的峰的位置可以调谐由石墨烯掺杂水平或由填充狭缝的材料的介电函数。当狭缝填充有分析物时，整个系统形成等离子体传感器的基础。
2019-06-25 cond-mat.mes-hall
Broadband Focusing of Acoustic Plasmons in Graphene with an Applied Current
从理论上探讨了电流驱动的、各向同性的、具有近端金属栅的均质石墨烯中的非互易等离子体激元。附近的金属门屏幕库仑相互作用，导致线性色散声等离子体靠近其粒子-空穴连续对应物。我们表明，所施加的偏压导致光谱宽带聚焦等离子体激元的共振线宽是依赖于相对于由于朗道阻尼电流的角度方向。我们预测，前向聚焦非互易等离子体是可能的，与访问的实验参数和设置。
2021-05-06 cond-mat.mes-hall
Generation and morphing of plasmons in graphene superlattices
最近对六方氮化硼（hBN）上的石墨烯的实验研究表明，hBN不仅是一种确保石墨烯载流子优异电子特性的无源衬底，而且它通过周期性莫尔电位主动修改了它们的无质量狄拉克费米子特性。在这项工作中，我们提出了一个理论的无质量狄拉克费米子的等离子体激元激发谱的云纹超晶格。我们证明，石墨烯-hBN堆叠为等离子体提供了丰富的平台，其中等离子体模式的控制不仅可以通过静电门控发生，而且可以通过调节例如相对晶体结构来发生。
2014-07-10 cond-mat.mes-hall
Coupling-Enhanced Broadband Mid-Infrared Light Absorption in Graphene Plasmonic Nanostructures
石墨烯纳米结构中的等离子体激元在几微米到几十微米的中红外应用中显示出巨大的前景。然而，石墨烯纳米结构中的中红外等离子体共振通常较弱且频带较窄，限制了其在光操纵和检测方面的潜力。在这里，我们研究了石墨烯等离子体纳米结构之间的耦合，并进一步表明，通过工程耦合，可以同时实现光-石墨烯相互作用强度的增强和光谱宽度的加宽。利用耦合的概念，我们展示了一种混合2层石墨烯纳米阵列，在整个8至14 μm（~700至1250 cm-1）波长范围内显示出5至7%的消光，覆盖了重要的大气“红外透射窗口”之一。这种耦合的混合石墨烯等离子体纳米结构可以在红外传感和自由空间通信中找到应用。
2016-12-15 cond-mat.mes-hall
Plasmon generation through electron tunneling in twisted double-layer graphene and metal-insulator-graphene systems
通过远场光学照明产生高度受限的等离子体激元对于技术应用似乎是不切实际的，这是由于它们与外部光的大的能量-动量失配。等离子体激元的电产生提供了一个可能的解决方案，这个问题，虽然它的性能取决于材料和几何参数的仔细选择。在这里，我们从理论上研究了石墨烯基结构，并特别显示了（i）由电介质分隔的两层石墨烯和（ii）金属$|$绝缘体$|$石墨烯三明治作为非弹性电子隧穿辅助的传播等离子体激元的发生器之间的非常不同的性能。对于双层石墨烯，我们研究了两个片之间的相对倾斜角的依赖性，并表明$4^\circ$扭转角的等离子体激元产生效率下降到其最大值的$\sim20$ \%，以完美堆叠。对于金属$|$绝缘体$|$石墨烯夹层，非弹性隧穿效率相对于双层石墨烯下降了几个数量级，而不管掺杂水平、金属$|$石墨烯分离、金属的选择和隧穿方向（金属到石墨烯或来自石墨烯）如何，我们将这一结果归因于由石墨烯狄拉克锥覆盖的表面投影金属布里渊区的小部分。我们的研究结果揭示了一个合理的容忍石墨烯晶格错位和涉及金属的结构的性能差，从而支持使用双层石墨烯作为一个最佳选择的电等离子体产生隧穿器件。
2019-02-26 cond-mat.mes-hall
Efficient terahertz electro-absorption modulation employing graphene plasmonic structures
我们提出并讨论了基于石墨烯等离子体结构的太赫兹电吸收调制器。有源器件由一对自选通的石墨烯层组成，其被图案化为支持THz等离子体共振的结构。这些结构允许有效控制有效THz光学电导率，因此吸收，即使在比石墨烯中的Drude滚降高得多的频率下，其中大多数先前提出的基于石墨烯的装置变得低效。我们的分析表明，基于反射率的器件配置，工程设计，使电场增强的活性石墨烯对，可以实现非常高的调制深度，甚至~ 100%，在任何频率高达几十太赫兹。
2012-11-18 cond-mat.mes-hall
High-energy plasmon spectroscopy of freestanding multilayer graphene
我们提出了几个应用程序的分层电子气模型的电子能量损失谱的自支撑薄膜组成的$N$石墨烯层的扫描透射电子显微镜。使用一个双流体模型的单层极化率，我们讨论了高能等离子体光谱与$N$的演变，并发现与最近的实验数据都与$N<10$的多层石墨烯，厚片的石墨。这些分析模型的这种应用有助于阐明在这些结构的等离子体光谱中观察到的几个特征，包括等离子体色散的作用、各种等离子体本征模的激发中的动态干扰，以及在对等离子体峰进行分类时体等离子体带而不是表面等离子体的相关性。
2011-10-14 cond-mat.mes-hall
Probing Plasmons in Graphene by Resonance Energy Transfer
我们提出了一种新的方法来探测石墨烯中的电子激发，通过监测荧光猝灭的半导体量子点（或染料分子）由于共振能量转移到石墨烯片。我们展示了如何通过控制背栅电压和量子点与石墨烯之间的距离来准确提取石墨烯中等离子体激元（以及其他电子激发）的色散关系。
2011-08-16 cond-mat.mes-hall
Nonlinear Graphene Quantum Capacitors for Electro-optics
由于其独特的能量色散，石墨烯的量子电容特性可以在二维层状电容器配置中被利用。采用石墨烯和氮化硼分别作为电极和绝缘介质，在零偏压和小电压下获得了强非线性行为。当温度足够低时，由量子电容产生的强非线性相互作用表现出各种各样的现象。所提出的结构可以接管许多低温量子系统中的非线性元件的功能，特别是量子电光。结果表明，在温度约为1K，电容面积为$1μ{\textrm{m}}^2$量级时，用少量的泵浦光子很容易达到超强耦合。定义了非谐性的度量，并讨论了作为潜在应用的量子比特设计以及用于非互易设备（如电磁频率环行器）的方案。
2017-03-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electronic modulation of infrared emissivity in graphene plasmonic resonators
在高达250 ℃的温度下证明了氮化硅衬底上石墨烯等离子体共振器黑体发射的电子控制。结果表明，石墨烯谐振器产生天线耦合黑体辐射，表现为窄光谱发射峰在中红外。通过不断变化的纳米谐振器的载流子密度，这些光谱特征的频率和强度可以通过静电门调制。我们将这些现象描述为等离子体增强的辐射发射，其源自与石墨烯片中的等离子体衰减相关的损耗通道和SiNx中的振动模式。
2014-05-16 cond-mat.mes-hall
Plasmon-assisted resonant tunneling in graphene-based heterostructures
我们发展了石墨烯-绝缘体-石墨烯异质结构中电子隧穿伴随载流子-载流子散射的理论。由于库仑相互作用的动态屏蔽作用，如果传递的能量和动量与表面等离子体的能量和动量相对应，则散射辅助隧穿会共振增强。我们揭示了这种等离子体辅助隧穿的石墨烯隧道结的电流-电压曲线和等离子体发射光谱的可能的实验表现。我们发现，非弹性电流和等离子体激元发射率有尖锐的峰值电压提供相等的能量，动量和群速度的等离子体激元和层间单粒子激发。这种共振的强度，我们称之为等离子体共振，受到层间扭曲和等离子体寿命的限制。等离子体激元辅助隧穿的开始也可以通过在低温下的结$I(V)$曲线中的尖点来标记，并且这种隧穿的阈值电压弱地依赖于载流子密度并且在层间扭曲的存在下持续。
2017-06-16 cond-mat.mes-hall
Strong coupling in the far-infrared between graphene plasmons and the surface optical phonons of silicon dioxide
我们研究了静电门控的二氧化硅衬底上的石墨烯纳米带的等离子体共振。吸收光谱测量中，远红外和揭示多个峰值，与宽度依赖的共振频率。我们计算内的随机相位近似的介电函数，并表明，所观察到的光谱可以解释由表面等离子体声子极化激元模式，这是从耦合的石墨烯等离子体到三个表面光学声子模式在二氧化硅中产生的。
2014-05-29 cond-mat.mes-hall
Hybrid plasmon-magnon polaritons in graphene-antiferromagnet heterostructures
我们考虑由石墨烯和绝缘反铁磁体形成的混合结构，由厚度高达$d\simeq 500 \,nm$的电介质分隔。当解耦合时，石墨烯和反铁磁表面都拥有它们自己的极化子模式，在石墨烯的情况下将电磁场与等离子体耦合，在反铁磁体的情况下将电磁场与磁振子耦合。我们表明，混合结构可以主机两种新类型的混合极化激元模式。首先，表面磁振子-等离子体激元极化激元，其色散被石墨烯层的载流子密度从根本上改变，包括群速度的符号变化。第二，表面等离子体-磁振子极化激元形成为石墨烯表面等离子体和反铁磁裸磁振子的线性叠加。这种极化激元具有两个分支的色散，由色散表面等离子体和磁振子之间的反交叉形成。我们讨论了这些新的模式结合光子，磁振子和等离子体激元，以达到新的功能的潜力。
2019-02-02 cond-mat.mes-hall
Next-nearest-neighbor Tight-binding Model of Plasmons in Graphene
本文研究了紧束缚模型中次近邻耦合对石墨烯等离激元激发谱的影响。最近邻紧束缚模型在下一篇论文中被用于计算等离子体激元光谱[1]。利用次近邻紧束缚模型推广了已有的结果。这两种方法都是基于石墨烯的介电函数和损耗函数的数值计算。在这里，我们比较了次近邻和最近邻紧束缚模型的等离子体激元谱，并发现两个模型的等离子体激元色散之间的差异。
2013-04-29 cond-mat.mes-hall
Strong plasmon reflection at nanometer-size gaps in monolayer graphene on SiC
我们采用针尖增强红外近场显微镜研究了碳化硅上外延的准独立单层石墨烯的等离子体性质。近场图像揭示了传播的石墨烯等离子体激元，以及在石墨烯层中的间隙处的强等离子体激元反射，其出现在SiC台阶之间的台阶处。当台阶高度约为1.5 nm时，其比等离子体激元波长小两个数量级，反射信号在石墨烯边缘处达到其值的20%，并且对于小至5 nm的台阶高度，其接近50%。这一有趣的观察结果得到了数值模拟的证实，并通过在石墨烯终端积累线电荷来解释。石墨烯终端处的相关电磁场在几纳米内衰减，从而阻止了跨纳米级间隙的有效等离子体传输。我们的工作表明，石墨烯基电路中的等离子体激元传播可以使用非常紧凑的纳米结构（如超窄间隙）进行定制。它还表明，尖端增强近场显微镜是一个强大的非接触式工具来检查石墨烯中的纳米级缺陷。
2013-11-25 cond-mat.mes-hall
Inter-valley plasmons in graphene
在狄拉克费米子模型中，最近研究了石墨烯中的二维（2D）等离子体波的光谱。我们考虑了紧束缚近似下石墨烯电子的整体色散关系和电动力学响应中的局域场效应。在六边形布里渊区的拐角附近的波矢附近，我们发现了具有线性光谱的新的低频2D等离子体振子模式。这些“谷间”等离子体激元模式与两个最近的狄拉克锥之间的跃迁有关。
2009-10-12 cond-mat.mes-hall
Electron-Electron Interactions and Plasmon Dispersion in Graphene
具有非抛物能带的二维电子系统（如石墨烯）中的等离子体激元具有对电子-电子相互作用的强烈依赖性。我们使用多体的方法，在长波长的朗道费米液体相互作用和准粒子速度等离子体色散。一个相同的重整化所示，出现的磁等离子体共振。对于具有N>>1费米子物质的模型，该方法预测了等离子体频率与载流子浓度的幂律依赖性，在宽范围的掺杂密度（高和低）中有效。石墨烯中等离子体激元的栅极可调谐性可以被用来直接探测电子-电子相互作用的影响。
2013-12-18 cond-mat.mes-hall
Plasmon coupling in extended structures: Graphene superlattice nanoribbon arrays
近端纳米结构中局域等离子体激元之间的相互作用是一种研究得很好的现象。在这里，我们探讨等离子体激元等离子体激元相互作用的连接扩展系统。这样的系统现在可以很容易地使用石墨烯生产。具体来说，我们采用有限元方法来研究这种相互作用的石墨烯纳米阵列与周期性调制的电化学电位或层数。我们发现了丰富的变化，在所得到的等离子体共振取决于尺寸和电化学电位（掺杂）的nanoriginates段和横向和纵向等离子体相互作用的参与。与基于众所周知的“轨道杂交模型”的预测不同，扩展系统的所得混合等离子体共振的能量可以位于各个组分的等离子体的能量之间。结果表明，石墨烯等离子体激元的宽范围的可调谐性，并可以帮助设计具有所需光谱的结构，这可用于增强电磁波谱的红外区域中的光场。
2015-10-14 cond-mat.mes-hall
Coupled plasmon - phonon excitations in extrinsic monolayer graphene
最近在冻结晶格的{ \it ab initio}计算中发现了非本征（掺杂或门控）单层石墨烯中声学等离子体的存在[M. Pisarra { \it等人}，arXiv：1306.6273，2013]。通过{ \em full-dynamic}密度泛函微扰理论方法，我们证明了声等离子体激元模式与晶格振动的强耦合。因此，石墨烯中的声学等离子体激元不作为孤立的激发而存在，而是结合到组合的等离子体激元-声子模式中。我们表明，耦合提供了一种机制，电子和离子子系统之间的{ \em双向}能量交换，从根本上说，以及实际上，重要的影响晶格冷却和加热的电子在石墨烯。
2013-10-10 cond-mat.mes-hall
Controlling Sub-nm Gaps in Plasmonic Dimers using Graphene
石墨烯被用作金纳米颗粒和金衬底之间最薄的间隔物。这为大规模等离子体激元场增强创建了鲁棒的、可重复的和稳定的亚纳米间隙。单个80 nm金纳米颗粒的白光光谱揭示了颗粒与其在金基底内的图像之间的等离子体耦合。而对于单个石墨烯层，观察到来自耦合二聚体模式的光谱双峰移动到近红外，这些随着层数的增加而消失。这些双峰来自等离子体电荷转移，允许直接光学测量这种分层系统中的面外电导率。因此，对石墨烯进行门控可以直接产生等离子体激元调谐。
2013-05-23 cond-mat.mes-hall
Extended frequency range of transverse-electric surface plasmon polaritons in graphene
石墨烯中表面等离子体激元的色散关系，包括光学损耗，通常是获得复杂的波矢量，而频率被假定为实。然而，这种方法不适合描述光激发的时间动力学和石墨烯的光谱特性。在这里，我们提出了一种替代方法，计算在复频率和实波矢量空间的色散关系。这种方法提供了对石墨烯层的光学性质的更清晰的洞察，并且允许我们在全频率范围内找到石墨烯片的表面等离子体振子模式，从而消除了先前报道的横向电模式的限制（1.667 < $\hbarω/μ$ < 2）。我们进一步发展了一个简单的解析近似，准确地描述了在石墨烯的表面等离子体极化激元模式的色散。使用这种近似，我们表明，横向电表面等离子体激元传播沿石墨烯片没有损失，即使在有限的温度。
2021-06-14 cond-mat.mes-hall
Mid-infrared plasmons in scaled graphene nanostructures
等离子体激元利用电子对电磁波的集体响应，使光学器件的缩放超过衍射极限。在这里，我们展示了深度缩放的石墨烯纳米结构中的中红外（4至15微米）等离子体激元，其波长低至50 nm，比自由空间中的共振光波长小100倍以上。我们揭示，第一次，石墨烯等离子体激元通过其固有的光学声子和散射的边缘的关键阻尼通道。当允许通过光学声子的发射进行阻尼时，观察到20飞秒和更小的等离子体激元寿命。此外，与非极性类金刚石碳（DLC）基板相比，石墨烯纳米结构下方的SiO2基板中的表面极性声子导致显著改性的等离子体激元分散和阻尼。当等离子体共振频率接近极性声子频率时，实现了大大降低的阻尼。我们的研究为石墨烯在从亚太赫兹到中红外前所未有的宽波长范围内的等离子体波导，调制器和探测器中的应用铺平了道路。
2012-09-10 cond-mat.mes-hall
Linear response function in the presence of elastic scattering: plasmons in graphene and the two-dimensional electron gas
在线性响应理论中，我们推导出一个响应函数，该函数充分考虑了弹性散射的影响，并且在长波长极限之外是有效的。我们将该理论应用于石墨烯和二维电子气（2DEG）中的等离子体激元，在随机相位近似下，对于前者考虑带内和带间激发。散射环修改的色散关系表明，低于临界散射强度$γ_c$，简单地与等离子体频率$ω$，没有等离子体是允许的。石墨烯中带内和带间跃迁的临界强度$γ_c$和允许的$(ω, q)$等离子体激元谱是不同的。在石墨烯和2DEG中，对于小的$ω$，强度$γ_c$迅速下降，但是对于大的$ω$，下降得慢得多。
2018-01-15 cond-mat.mes-hall
