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石墨烯等离激元的光子晶体

DOI：10.1038/s41467-019-12778-2 期刊：Nature Communications 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 光子晶体通常由光学特性呈周期性变化的介质实现。这类材料能对集成光路中的光传播实现精准调控，还可模拟前沿物理概念。但常规光子晶体难以实现动态开关控制。我们突破这一限制，研制出适用于表面等离极化激元的宽频可调二维光子晶体。该平台由连续单层石墨烯与纳米结构栅极绝缘体集成于背栅器件构成。红外纳米成像显示其形成了光子带隙，并能通过外加栅压实现局域等离激元态密度的强调制——既可开关控制亦可渐变调节。我们还构建了支持高度局域化一维等离激元模式的人造畴壁。这种基于标准金属氧化物半导体场效应晶体管技术实现的静电调控光子晶体，为实用化片上光操控开辟了新途径。
作者： L. Xiong，C. Forsythe，M. Jung，S. Liu，J.H. Edgar，E.J. Mele，M.M. Fogler，G. Shvets，C.R. Dean，D.N. Basov
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究采用背栅平台集成纳米结构栅极绝缘体的单层石墨烯，实现对表面等离子体激元的可调谐二维光子晶体的调控。

研究成果

该研究展示了一种利用单层石墨烯实现表面等离子体激元宽带可调的二维光子晶体平台。该平台可通过外加栅压控制形成光子带隙，并对局域等离子体态密度实现强调制。人工畴壁的构建支持高度约束的一维等离子体模式。这种静电可调光子晶体为实用化的片上光操控铺平了道路。

研究不足

由于电子-声子相互作用导致品质因数下降，这些器件在环境温度下的性能并不完全令人满意。等离子体阻尼率限制了所观察到的局域态密度增强因子。

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