石墨烯表面等离子激发的基本性质
石墨烯表面等离激元
石墨烯表面等离激元引言：人类对于材料科学的探索一直没有停止，而石墨烯的发现则为人们打开了一扇全新的窗户。
石墨烯作为一种二维材料，具有许多出色的特性，其中之一就是其表面等离激元的特性。
本文将重点介绍石墨烯表面等离激元的奥秘以及其在纳米科技领域的应用。
一、石墨烯的简介石墨烯是一种由碳原子构成的单层薄片，具有高度的机械强度和导电性。
它的发现让人们对材料科学产生了巨大的兴趣。
石墨烯的结构使得它成为了研究二维材料特性的理想平台，也为表面等离激元的研究提供了新的机会。
二、表面等离激元的概念表面等离激元是指当光线与金属或半导体表面接触时，激发出的一种电磁波的电磁场分布。
这种波动形式在纳米尺度下表现出奇特的性质。
石墨烯表面的等离激元具有巨大的研究潜力，并在许多领域有着广泛的应用。
三、石墨烯表面等离激元的特性1. 增强光与物质相互作用：石墨烯表面等离激元可增强光的吸收、散射和发射，加强光与物质的相互作用。
这一特性在光电子学、纳米光学和光热转换等领域有着广泛应用。
2. 超快光学响应：石墨烯表面等离激元的特性使其能够实现超快光学响应，对于高速光通信和超快光学器件的发展具有重要意义。
3. 可调控的光学特性：通过调控石墨烯表面等离激元的特性，可以实现对光学信号的调制和控制。
这一特性在光学传感、信息处理和光学调制等领域具有广泛应用前景。
四、石墨烯表面等离激元的应用1. 光电子学器件：石墨烯表面等离激元的特性使其成为光电子学器件的理想材料。
例如，石墨烯等离激元透镜可以用于纳米光子学器件中的聚焦和成像。
2. 光传感器：基于石墨烯表面等离激元的光传感器可以实现高灵敏度的检测，对于环境污染、生物分子检测等领域具有重要作用。
3. 纳米光子学：石墨烯表面等离激元在纳米光子学中有着广泛的应用。
例如，通过调控石墨烯表面等离激元的特性，可以实现纳米尺度下的光场操控和传输，为纳米光子学器件的发展提供了新的思路和方法。
五、结语石墨烯表面等离激元作为石墨烯材料的一种独特特性，具有巨大的研究潜力和广泛的应用前景。
石墨烯表面等离激元
石墨烯表面等离激元石墨烯是一种由碳原子形成的二维晶体结构材料，它具有许多独特的物理和化学性质。
在石墨烯表面上，可以发生一种特殊的现象，称为等离激元。
等离激元是光与电子在金属或半导体表面上共振耦合的一种现象。
石墨烯表面的等离激元在材料科学和纳米技术领域中具有广泛的应用前景。
石墨烯表面的等离激元可以通过激发表面等离子体来实现。
当光射入石墨烯表面时，它会与表面上的电子相互作用，激发出等离子体波。
这种等离子体波可以在石墨烯表面上传播，并与光场相互作用。
这种相互作用可以导致光的局域化和增强，从而增加光与物质的相互作用强度。
这对于光电子学、传感器、光学器件等领域具有重要意义。
石墨烯表面的等离激元还可以用于表面增强拉曼散射（SERS）技术。
SERS技术是一种能够增强物质的拉曼散射信号的技术，可以用来检测微量的物质。
石墨烯表面的等离激元可以增强拉曼散射信号，使得SERS技术更加灵敏和可靠。
这对于生物医学、环境监测和食品安全等领域的应用具有重要意义。
石墨烯表面的等离激元还可以用于太阳能电池。
等离激元可以将光能转化为电能，从而提高太阳能电池的效率。
石墨烯作为一种优良的电导体，可以用于制备高效的太阳能电池。
石墨烯表面的等离激元可以增强太阳能电池对光的吸收和转化效率，从而提高太阳能电池的性能。
除了上述应用外，石墨烯表面的等离激元还可以用于纳米光子学、光子晶体和光学超材料等领域。
石墨烯的二维结构和优异的电子输运性质为等离激元的研究和应用提供了良好的平台。
石墨烯表面的等离激元可以用于设计和制备新型的光学器件和纳米材料，具有潜在的突破性应用。
石墨烯表面的等离激元在材料科学和纳米技术领域具有广泛的应用前景。
它可以用于光电子学、传感器、光学器件、SERS技术、太阳能电池、纳米光子学和光学超材料等领域。
通过研究和应用石墨烯表面的等离激元，我们可以深入理解光与物质的相互作用，推动材料科学和光学技术的发展。
以表面等离子体共振技术研究石墨烯杂化及其光学性质
以表面等离子体共振技术研究石墨烯杂化及其光学性质石墨烯是一种热门的二维材料，拥有极高的导电性、热传导性和机械强度等优异的性质。
其在光学能谱学、电子能谱学和纳米技术等领域中有广泛的应用前景。
最近，研究人员利用表面等离子体共振技术研究了石墨烯的杂化及其光学性质，这项研究有望在材料科学中产生深远的影响。
表面等离子体共振技术是一种基于表面等离子体共振现象的光学传感技术。
该技术通过在固体表面上引入介质层或分子吸附，使表面的等离子体共振现象发生变化，从而检测分子之间的相互作用和表面反应。
石墨烯的表面等离子体共振现象受材料自身性质的影响较小，因此被广泛应用于石墨烯等二维材料的研究中。
石墨烯的杂化是指将其掺杂或与其他元素或化合物复合，形成新的材料。
此项研究中，研究人员将氮化石墨烯与四丁基铵离子相结合，形成了一种新的氮化石墨烯杂化物。
通过表面等离子体共振技术研究发现，氮化石墨烯杂化物的等离子体共振峰比氮化石墨烯单质红移，表明其具有更强的吸收能力和更好的光学性质。
此外，研究人员还通过光学光谱等技术研究了氮化石墨烯杂化物中氮元素的掺杂情况和其对光学性质的影响。
结果显示，随着氮元素的掺杂浓度的增加，氮化石墨烯杂化物的吸收光谱发生了明显的变化，同时其光学性质也得到了显著的提高。
石墨烯的光学性质受制于其层间结构和电子结构等因素。
石墨烯的层间结构使其对光子的吸收和散射发生了变化，而其独特的电子结构也给其带来了特殊的光学性质。
通过研究石墨烯杂化及其光学性质，我们可以更好地理解石墨烯的光学机制，为其在光电子学、光催化、光传感等领域的应用提供技术支持。
总之，表面等离子体共振技术在石墨烯及其杂化物的光学研究中具有重要的应用价值。
未来，我们可以进一步探索该技术在其他二维材料中的应用，为材料科学的发展做出更大的贡献。
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
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。
石墨烯表面等离激元特性研究
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目 录
摘 要 ........................................................................................................................ 1 ABSTRACT ............................................................................................................ 3 第一章 引言 ......................................................................................................... 5
第三章
石墨烯表面等离激元特性研究 ................................................ 39
3.1 FDTD 研究方法及仿真软件介绍 .................................................................... 39 3.1.1 FDTD 研究方法........................................................................................ 39 3.1.2 FDTD Solutions 仿真软件简介............................................................ 40 3.2 石墨烯表面等离激元的产生 ........................................................................... 40 3.2.1 石墨烯的介质特性.................................................................................... 40 3.2.2 多层石墨烯表面等离激元的 Kretschmann 模型仿真和分析............... 44 3.2.3 单层石墨烯的表面等离激元研究........................................................... 51 3.2.2.1 自由空间内的单层石墨烯的表面等离激元 .................................... 51 3.2.2.2 基底上的单层石墨烯的表面等离激元 ............................................ 55 3.2.2.3 自由空间内的单层石墨烯条带阵列的表面等离激元 .................... 60 3.2.2.4 基底上的单层石墨烯条带阵列的表面等离激元 ............................ 62 本章小结 .................................................................................................................. 64
石墨烯性质-表面等离子体
1 石墨烯电子能带结构所带来的性质石墨烯是零带系半导体，其能带结构在K空间成对顶的双锥形，费米面在迪拉克点之上，石墨烯为n型，费米面在狄拉克点以下为p型。
由于其能带结构的特殊性，在狄拉克点处的电子态密度很低，对于费米面在狄拉克点附近的高质量石墨烯，通过简单的掺杂或用栅压调控，就可以使其费米面有很大幅度的移动，从而很容易用人工的方法制作出石墨烯的p-n结结构。
而该结构是太阳能电池材料所必需的条件。
2、石墨烯对红外光的高透过性石墨烯对光的透过率可达到97.7%以上，使其成为太阳能电池电极材料的很好选择。
现在太阳能电池的透过效率不好原因是太阳能电池上层电极对太阳光中的红外部分吸收十分严重，而红外部分又是太阳光能量的一个集中区，所以影响了下方的光伏材料获得的光的强度。
而石墨烯对红外的透过性非常好，用石墨烯带作为太阳能电极材料，可大幅度提高转化效率。
3、石墨烯中的高载流子迁移率石墨烯中的电子的迁移率大约是硅的100倍，而电导率是与迁移率和载流子浓度乘积成正比，而材料的透光性能又通常和载流子浓度成反比。
一般材料如果对光的透过性很好，那么它的载流子浓度就很低，而通常迁移率也很低，从而导电率也很差，这也是目前为什么太阳能透明电极没有很好性能的原因。
而石墨烯这种新材料，它的载流子迁移率如此之高，即使在载流子浓度很低时（透光性很好），也能保证两者乘积很客观，有很好的导电性。
这也进一步解释了石墨烯适合用于太阳能电池电极的原因。
4、石墨烯中的光激发电子-空穴对的产生消失时间石墨中的电子式狄拉克电子，速度接近光速三分之一，室温下传导电子比任何其他已知导体要快，所以被光激发出的电子-空穴对可以快速形成电流，同理在撤去光源后也可以迅速消失。
基于石墨烯的光伏器件对光的响应目前在实验室中已达到THz，成为超快光电探测器的候选材料5、石墨烯的热载流子效应石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室温和普通光照射下，就可以发生热载流子效应，产生电流。
石墨烯纳米材料的光吸收与光学性质研究
石墨烯纳米材料的光吸收与光学性质研究石墨烯是一种在近年来备受瞩目的纳米材料，它具有极高的导电性和热导性，在电子学、能源存储和光学应用等领域展现出了巨大的潜力。
其中，石墨烯在光学方面的研究尤为重要。
石墨烯具有单原子厚度和大的比表面积，这使得它在光学上具有一些独特的性质。
首先，石墨烯对光的吸收非常高效。
由于其单原子厚度，光可以直接进入石墨烯中，并被其高度导电性的碳原子吸收。
此外，石墨烯的大比表面积也使得它能够捕获更多的光子能量。
因此，石墨烯具有极高的光吸收率，是一种非常有效的光吸收材料。
其次，石墨烯还表现出了一些其他的光学性质。
例如，石墨烯具有非常强的光散射能力。
当光通过石墨烯时，它会与石墨烯中的电子相互作用，并发生散射。
这种散射效应可以用来制备透明导电薄膜。
石墨烯的高光学透射率和导电性使得它非常适合用于光电子器件的制备。
此外，石墨烯还具有可调节的光学性质。
通过控制石墨烯的厚度和物理结构，可以调控其吸收和散射光的波长范围。
这为石墨烯在光学器件中的应用提供了更大的灵活性。
例如，石墨烯可以被用作可调谐滤光器，通过调节外界电场来改变其吸收和透射光的波长。
这种可调节性使得石墨烯在光通信和光传感器等领域有着广阔的应用前景。
对于石墨烯纳米材料的光吸收和光学性质研究，科学家们已经取得了一系列的重要突破。
例如，研究人员发现，在石墨烯和其他二维材料的异质结构中，可以产生新的光学效应。
此外，通过利用局域表面等离子体共振效应，可以进一步增强石墨烯的光吸收能力。
这些研究不仅深化了对石墨烯的理解，还为其在光学器件领域的应用开辟了新的可能性。
尽管石墨烯在光学方面展现出了巨大的潜力，但在其应用过程中也存在一些挑战。
例如，石墨烯的制备和操控依然面临一定的难题。
目前，大规模制备高质量的单层石墨烯仍然是一个挑战。
此外，石墨烯的光学性质也需要更深入的研究和理解，以实现其在实际应用中的最大化利用。
总之，石墨烯纳米材料的光吸收与光学性质的研究是一个重要的课题。
表面等离子激元在石墨烯上的基础性质和物理浅析
表面等离子激元在石墨烯上的基础性质和物理浅析摘要：表面等离子激元在石墨烯有许多有趣的基础性质和存在巨大的潜在应用。
它们可以再亚波长范围内很好的限制电磁场的能量，并且可以通过栅极电压调控。
它们的频率可以从太赫兹跨度到红外甚至到可见光范围。
这是对现有石墨烯等离激元知识的一个综述，其中特殊强调了等离子体光学损失和不同衰减通道的比较，这些都是现在还没有完全搞清楚的。
最后我们会概述石墨烯等离激元元的潜在应用。
1、简介近些年，平面波导和光子晶体技术取得了很大的进展，打开了通往制造新型的、更有效率的、小型化的光学器件的道路。
光可以在成千上万太赫兹的频率上传播，伴随着大的带宽和低损耗，因此现有的在千兆赫兹频率上运行的光限制了电子设备的发展。
然而对于光学器件小型化的限制来自于衍射极限的限制。
为了使光学器件突破这种极限从而制造一种纳米光子器件，使它能在大宽带近红外或者可见光下运行，需要在衍射极限先对电磁场进行很好的调控。
一条可能是唯一的能制备纳米光学器件的途径是等离子激元的激发，这也是正在兴起的研究领域：等离子体光子学。
实际上，根据系统的形态和维度可以有很多种等离激元激发。
体状的等离激元是导体内电子的集体激发，然而它们并不是光子学的研究对象。
等离子体光子学是建立在表面等离子激元极化子——电磁波受限于导体—电介质界面间上的。
这种波长比在空气中的同种频率的波长要短得多，这使在纳米范围内调控光成为可能，也就打破了衍射极限。
然而，现今很没有找到一个很好的能够限制电磁能并且低能损的等离激元材料。
石墨烯拥有特殊的电学、光学、机械性质，使得石墨烯等离激元有大量的研究。
石墨烯是一层2维的蜂窝状排列的碳碳原子层。
它可以通过外部的栅极电压来控制电子和空穴的多少，这是一个很吸引人的光学特性。
石墨烯的表面等离子激元吸引了众多的关注。
一个主要的原因是石墨烯的一些性质，例如分散性和电子—空穴对激发的内带损耗可以通过外部栅极电压调控。
石墨烯上表面等离子激元效应存在的实验证据最先来自电子能量损失谱。
石墨烯表面等离激元的激发与调控
通过石墨烯表面等离激元的激发，可以实现纳米 尺度上的光操控，为纳米光子器件的设计和优化 提供新的手段。
增强光-物质相互作用
石墨烯表面等离激元的高强度电磁场可以增强光 与物质之间的相互作用，为纳米光子器件的性能 提升提供新的途径。
生物传感和成像
高灵敏度生物传感
石墨烯表面等离激元可以用于构建高灵敏度的生物传感器，用于检 测生物分子和细胞活性。
石墨烯的物理性质
石墨烯具有高电子迁移率 、高热导率、高强度等优 良物理性质。
石墨烯的制备方法
石墨烯可以通过机械剥离 法、化学气相沉积法、还 原氧化石墨烯等方法制备 。
表面等离激元简介
表面等离激元的定义
表面等离激元是一种电磁波，在特定条件下，在金属表面与电磁 波相互作用，产生局域场增强效应。
表面等离激元的激发条件
化学掺杂
总结词
化学掺杂是一种通过改变石墨烯化学成分来调控其表面等离激元的方法。
详细描述
化学掺杂可以改变石墨烯的电子结构和光学性质，从而影响其表面等离激元的 激发和传播。常见的化学掺杂剂包括氮、硼、磷等元素。
电学调控
总结词
电学调控是一种通过外加电场来控制石墨烯表面等离激元的 方法。
详细描述
通过外加电场，可以改变石墨烯的能带结构和载流子分布， 从而影响其表面等离激元的激发和传播。这种调控方法具有 快速、高效、连续可调等优点。
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参考文献
参考文献
参考文献1 标题：石墨烯表面等离激元的激发与调控研究 作者：张三，李四，王五
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离子束激发
利用离子束照射石墨烯， 在表面产生电荷分布，进 而激发等离激元。
理论激发方法
石墨烯包裹石墨 等离子体球磨
石墨烯包裹石墨等离子体球磨以石墨烯包裹石墨等离子体球磨为标题石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有优异的导电性、热导性和机械性能，因此被广泛应用于各个领域。
石墨也是一种由碳原子构成的材料，但是其层状结构使得其导电性和机械性能相对较差。
那么，如果将石墨烯包裹在石墨表面，会发生什么呢？石墨烯包裹石墨的方法之一是利用等离子体球磨技术。
等离子体球磨是一种将粉末材料置于高能量的等离子体中进行球磨的方法。
通过等离子体球磨，可以实现对材料表面的精细处理，改善材料的性能。
让我们来了解一下等离子体球磨的原理。
等离子体球磨是利用高能等离子体产生的能量对材料进行球磨。
当高能等离子体与材料表面碰撞时，会产生强烈的冲击和能量传递，导致材料表面发生塑性变形、溶解和再结晶等过程。
这些过程可以改变材料的晶体结构和化学组成，从而改善材料的性能。
在石墨烯包裹石墨的过程中，等离子体球磨可以起到两个作用。
首先，等离子体球磨可以使石墨烯与石墨之间形成紧密的结合。
由于石墨烯具有二维结构，其表面积较大，利用等离子体球磨可以使石墨烯与石墨之间形成大量的化学键，增强二者之间的结合力。
这样一来，石墨烯就可以有效地包裹在石墨表面，形成一层保护层，提高石墨的导电性和机械性能。
等离子体球磨还可以改变石墨的晶体结构。
石墨的晶体结构由层状的石墨烯片层组成，这些片层通过范德华力相互堆叠而形成。
在等离子体球磨的过程中，高能等离子体的作用下，石墨烯片层之间的范德华力会被破坏，从而使石墨片层发生错位和再结晶。
这些改变可以提高石墨的结晶度和晶粒尺寸，进而提高石墨的导电性和机械性能。
除了石墨烯包裹石墨，等离子体球磨还可以用于改善其他材料的性能。
例如，等离子体球磨可以用于改善金属材料的强度和塑性，改善陶瓷材料的导电性和机械性能，改善聚合物材料的热稳定性和光学性能等。
通过对材料进行等离子体球磨，可以实现对材料的微观结构和化学组成的精细调控，从而改善材料的性能。
以石墨烯包裹石墨等离子体球磨的方法可以改善石墨的导电性和机械性能。
石墨烯表面等离激元
石墨烯表面等离激元
石墨烯表面等离激元是一种新型的光学激元，其在石墨烯表面的存在为石墨烯的光学性质带来了新的可能性。
石墨烯表面等离激元的研究不仅有助于深入了解石墨烯的光学性质，还有望为石墨烯在光电子学领域的应用提供新的思路。
石墨烯表面等离激元的形成是由于石墨烯表面的电子与光场之间的相互作用。
当光场与石墨烯表面的电子相互作用时，会形成一种新的激元，即石墨烯表面等离激元。
石墨烯表面等离激元的存在使得石墨烯的光学性质发生了显著变化，例如石墨烯表面等离激元可以增强石墨烯的吸收率和散射率，同时还可以改变石墨烯的荧光性质。
石墨烯表面等离激元的研究不仅有助于深入了解石墨烯的光学性质，还有望为石墨烯在光电子学领域的应用提供新的思路。
例如，石墨烯表面等离激元可以用于制备高灵敏度的传感器，因为它可以增强石墨烯表面与待测物质之间的相互作用。
此外，石墨烯表面等离激元还可以用于制备高效的太阳能电池，因为它可以增强石墨烯对太阳光的吸收率。
目前，石墨烯表面等离激元的研究还处于起步阶段，但已经取得了一些重要进展。
例如，研究人员已经成功地观察到了石墨烯表面等离激
元的存在，并且发现它可以被控制和调节。
此外，研究人员还开发了一些新的技术来研究石墨烯表面等离激元，例如表面等离激元共振拉曼光谱技术和表面等离激元显微镜技术。
总之，石墨烯表面等离激元是一种新型的光学激元，其在石墨烯的光学性质方面具有重要的作用。
石墨烯表面等离激元的研究不仅有助于深入了解石墨烯的光学性质，还有望为石墨烯在光电子学领域的应用提供新的思路。
随着研究的不断深入，相信石墨烯表面等离激元将会在光电子学领域发挥越来越重要的作用。
石墨烯的表面性质及其分析测试技术
Journal of Advances in Physical Chemistry 物理化学进展, 2016, 5(2), 48-57Published Online May 2016 in Hans. /journal/japc/10.12677/japc.2016.52006Progress in Surface Propertiesand the Surface Testing of GrapheneJinfeng Dai1*, Guojian Wang1,2, Chengken Wu11School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai2Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials, Ministry of Education, ShanghaiReceived: Apr. 22nd, 2016; accepted: May 10th, 2016; published: May 13th, 2016Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractGraphene has been paid much attention for its special two-dimensional structure and excellent physicochemical properties. Researchers have done a great number of studies on these fields, and have made lots of outstanding results, while less on the surface properties, relatively. However, the surface properties of graphene usually play an important role in the practical application of graphene-based materials, especially, in the nano-composites, nano-coating and electrical nano- devices. In this review, the recent developments of surface properties and surface modification of graphene are summarized, where the relationship between the structure and surface properties of graphene is highlighted. The method of surface testing is also compared and commented on briefly. We believe that the future prospects of research emphasis on preparation of functiona-lized graphene with special surface properties, and a new comprehensive technique for testing the surface properties of graphene. Finally, the current challenges of research on structural surface and surface properties of graphene are commented based on our own opnion.KeywordsSurface Properties, Structural Surface, Surface Energy, Surface Testing, Graphene石墨烯的表面性质及其分析测试技术戴进峰1*，王国建1,2，吴承恳11同济大学材料科学与工程学院，上海*通讯作者。
石墨烯的光电性质研究
石墨烯的光电性质研究石墨烯是一种具有独特物理性质的二维材料，引起了广泛的科学界关注。
其独特的光电性质使其在光电子学、能源转换和传感器等领域具有潜在的应用前景。
本文将重点论述石墨烯的光电性质研究，探讨石墨烯在这一领域的发展和应用。
石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体结构，具有高度的导电性和出色的光电转化效率。
石墨烯的导电性源于其高度结晶的碳原子排列方式，这使得电子在其表面的移动自由度非常高。
此外，石墨烯的光电转化效率高，主要归功于其异质结构和全波长吸收特性。
可以通过控制石墨烯的电场、电压和温度等条件，调节其光电性质。
石墨烯的光电性质主要包括光吸收、光导电、光致电子转移和光增强等方面。
首先，石墨烯由于其二维结构，使得其能够在宽波长范围内吸收光线。
此外，由于石墨烯表面的sp2碳原子具有π结构，能够吸收能量高的紫外光和可见光。
其次，石墨烯的导电性也使其在光电子学中具有潜在应用。
通过施加外电压或光辐射，可以在石墨烯中实现电子的流动和传输。
这为光电子器件的制备提供了一种新的思路。
另一方面，石墨烯的光致电子转移特性使其在光传感器和光电探测器等领域具有重要应用。
石墨烯在受到光照后，会发生电子跃迁，从而改变其导电性。
通过测量电流和电压的变化，可以实现对光强的检测。
这种光致电子转移的机制提供了一种新型的光电转换方法。
此外，石墨烯在光增强领域也显示出其独特的优势。
石墨烯薄膜可以作为表面等离子体共振增强器件，可以增强传感器的灵敏度和响应速度。
其高度结晶的碳原子排列方式使其在光增强方面具有很好的效果。
石墨烯与金属或介质之间的界面耦合效应也可以改善传感器的性能。
石墨烯的光电性质研究不仅可以促进对石墨烯本身物理性质的理解，还可以为其在光电子学和光电子器件中的应用提供基础。
研究人员通过控制石墨烯的结构、厚度和杂质等因素，改善其光电性质。
例如，在石墨烯材料上引入杂原子或其他掺杂物，可以调节其能带结构和光学性能，从而实现对光吸收和光发射的控制。
基于石墨烯的等离诱导透明及应用研究
基于石墨烯的等离诱导透明及应用研究石墨烯是一种新型的超材料，具有优异的电、热、力学性能以及吸收、透射、反射等光学性质。
在这种超材料中，等离子体激元作为一种新型的光子激发方式，可以被利用到等离子体光学器件中。
基于石墨烯的等离诱导透明（Graphene Induced Transparency，GIT）是一种基于这种新型光子激发方式的新型器件，其能够在微波、太赫兹和光学波段实现透明窗口，为光学信息传输和存储提供了新的解决方案。
基于石墨烯的等离诱导透明的物理原理是基于石墨烯的电子能带结构特点。
石墨烯中的电子与光子相互作用会激发表面等离子体波（Surface Plasmon Polariton，SPP）的产生，从而形成了电磁波与等离子体波的耦合。
在这个耦合系统中，当微波、太赫兹或者光学波波长等于等离子体波波长的两倍时，传播路线中的Mie散射被有效的抵消，从而导致了一种透明效应，即GIT。
基于石墨烯的等离诱导透明可以被广泛地应用于光调制、传输、检测等领域。
例如，它可以被应用于微波和太赫兹波段的过渡和滤波等器件中，能够有效的抑制电磁波的反射和透射，提高信道质量。
在光学领域中，基于石墨烯的等离诱导透明还可以被应用于绝缘体、光纤以及表面等离子体增强拉曼散射等方面的研究中，具有很高的研究和应用价值。
总之，基于石墨烯的等离诱导透明是一种新型的光子激发方式，其物理原理和应用前景都受到了广泛的关注。
从微波、太赫兹波段到光学波段，都可以利用这种新型器件实现透明窗口，为光学信息传输和存储提供了新的解决方案。
随着石墨烯材料的大规模特种制备技术的逐步成熟，它的应用前景也将越来越广泛。
多功能可调谐太赫兹石墨烯超表面
多功能可调谐太赫兹石墨烯超表面近年来，太赫兹波技术因其在非破坏性检测、生物医学成像、通信和安全检测等领域的广泛应用而备受关注。
太赫兹波的频率介于毫米波和红外线之间，在电磁波谱中的位置被称为太赫兹频段。
与其他波长的电磁辐射相比，太赫兹波能够穿透一些不透明材料（如纸、塑料和衣物等），因此在安全检测方面具有广阔的应用前景。
太赫兹波的应用离不开提供高效、可调谐的太赫兹波析出离子源。
目前，石墨烯超表面作为太赫兹元件展示了其优越的特性。
石墨烯是一种单层碳原子片，具有独特的电子输运性质和强烈的光与物质耦合作用。
与传统的金属太赫兹元件相比，石墨烯超表面还能通过控制石墨烯的化学组成和结构来调节其电子传输性能，实现太赫兹波的可调谐性。
这使得石墨烯在太赫兹领域的应用具有很大的优势。
相关研究表明，石墨烯超表面能够支持多种太赫兹波模式，并且通过控制其结构可以实现太赫兹波模式的选择和调谐。
具体来说，石墨烯超表面的局域化表面等离子体共振（LSPR）模式和表面等离子体极化（SPP）模式可以被用来处理太赫兹波的能量和波矢。
此外，石墨烯超表面还可以被用来设计太赫兹波用途的突破性设备，例如太赫兹元件阵列、频率选择器、太赫兹滤波器和太赫兹变焦镜等。
值得注意的是，石墨烯超表面在太赫兹领域的应用还面临着一些挑战。
首先，虽然石墨烯是一种非常优秀的导体，但在太赫兹频段内的电阻率相对较高，因此石墨烯超表面的耗散热效应需要被充分考虑。
其次，石墨烯超表面有着很大的制备难度，需要实现高精度的制备和表征过程。
此外，太赫兹领域的应用也需要大规模、可靠的制造流程和相应的传感器技术。
总的来说，石墨烯超表面在太赫兹领域中呈现出优越的性能，因此它在太赫兹波源、调制器、探测器和降噪器等领域都有很大的应用前景。
石墨烯超表面的研究和发展将继续向前推进，为太赫兹领域的进一步发展和应用提供强有力的支持。
石墨烯表面等离激元
石墨烯表面等离激元石墨烯是由碳原子构成的二维晶体结构，具有出色的电子输运性能和独特的光学特性。
而等离激元则是一种在金属或半导体表面产生的电子与光子耦合的现象。
石墨烯表面等离激元的研究引起了科学界的广泛关注，因为它在纳米光学和纳米电子学等领域具有巨大的潜力。
等离激元可以通过表面等离子体共振（SPR）和表面等离激元极化子共振（SPPR）来实现。
在石墨烯表面，等离激元可以通过调控石墨烯的电子结构和光学性质来实现。
石墨烯的电子结构可以通过调控外加电场、化学修饰或掺杂等方式来改变，而石墨烯的光学性质可以通过调控光的波长和入射角度等方式来改变。
石墨烯表面等离激元的研究不仅可以为纳米光学和纳米电子学领域提供新的研究思路和方法，还可以为新型光学器件和电子器件的设计和制备提供新的思路和方法。
例如，基于石墨烯表面等离激元的传感器可以实现高灵敏度、高选择性和高稳定性的检测。
基于石墨烯表面等离激元的光学调制器可以实现高速、低功耗和宽带的光信号调制。
基于石墨烯表面等离激元的光电二极管可以实现高效率、高速度和低噪声的光电转换。
石墨烯表面等离激元的研究也面临着一些挑战。
首先，石墨烯的制备和表面修饰技术需要进一步改进和发展。
其次，石墨烯的电子结构和光学性质的理论研究还不够完善，需要进一步深入研究。
此外，石墨烯表面等离激元的耦合效率和传输效率也需要进一步提高。
因此，我们需要加强实验和理论研究的合作，共同攻克这些挑战。
石墨烯表面等离激元是一个充满挑战和机遇的研究领域。
通过深入研究石墨烯表面等离激元的基本理论和应用前景，我们可以为纳米光学和纳米电子学领域的发展做出重要贡献。
同时，我们也需要加强与其他学科的交叉合作，共同推动石墨烯表面等离激元的研究和应用。
相信在不久的将来，石墨烯表面等离激元将在纳米科技领域发挥重要作用。
表面等离子体激元的原理与应用
材料研究与应用 2024，18（1）：81‐94Materials Research and ApplicationEmail ：clyjyyy@http ：//mra.ijournals.cn 表面等离子体激元的原理与应用王强1,陈泳竹2*（1.广东技术师范大学光电工程学院，广东 广州 510665； 2.广东技术师范大学研究生院，广东 广州 510665）摘要： 光与物质之间的相互作用，被视为光学应用的最基础物理问题。
由光与凝聚态物质之间的相互作用形成的表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs ），是一种新型的元激发准粒子，因其具有独特的色散和局域场增强特性引起广泛关注。
SPPs 器件打破了传统光学衍射限制，在纳米光子器件中有独特优势，应用于微纳光子学的前沿研究。
阐述了SPPs 的色散关系、激发方式、传播形式和物理性质，重点探讨了SPPs 在波导、近场光学、传感器、生物医疗、光子芯片、表面增强拉曼散射和太阳能电池等方面的应用，并提出了研究前景。
关键词： 表面等离子体激元；衍射极限；局域场增强；表面等离子体共振；亚波长光学应用；波导；光子芯片；原理中图分类号：O436 文献标志码： A 文章编号：1673-9981（2024）01-0081-14引文格式：王强，陈泳竹.表面等离子体激元的原理与应用［J ］.材料研究与应用，2024，18（1）：81-94.WANG Qiang ，CHEN Yongzhu.Principles and Applications of Surface Plasmon Polaritons ［J ］.Materials Research and Applica‐tion ，2024，18（1）：81-94.0 引言新世纪以来，计算机技术的迅猛发展和理论知识的不断创新，给人类生活带来极大便利的同时也加快了科学发展的脚步。
电子线路固有的发热现象和数据传输能力不足，极大地限制了计算机运行速度的大幅度提高。
石墨烯等离子体剥离法
石墨烯等离子体剥离法
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有出色的
导电性、热导性和机械性能，因此备受科学界和工业界的关注。
然而，石墨烯的制备过程一直是一个挑战，直到近年来，石墨烯等离
子体剥离法成为了一种备受关注的新方法。
石墨烯等离子体剥离法是一种利用等离子体对石墨材料进行处理，从而实现石墨烯剥离的方法。
等离子体是一种由离子和自由电
子构成的气体状态，当等离子体与石墨材料接触时，离子和自由电
子的能量会被传递给石墨材料，从而使得石墨材料的结构发生改变，最终导致石墨烯的剥离。
石墨烯等离子体剥离法具有许多优点。
首先，它能够实现对石
墨材料的高效剥离，得到高质量的石墨烯材料。
其次，这种方法相
对于传统的机械剥离方法来说，更加简单、高效，并且可以实现大
规模生产。
此外，石墨烯等离子体剥离法还可以对石墨材料进行表
面修饰，从而赋予石墨烯更多的功能。
然而，石墨烯等离子体剥离法也面临着一些挑战。
首先，等离
子体处理过程中需要精确控制处理参数，以确保石墨烯的质量和产
率。
其次，等离子体处理过程可能会导致石墨烯材料的一定程度的
损伤，因此需要进一步研究如何最大程度地减少损伤。
总的来说，石墨烯等离子体剥离法作为一种新型的石墨烯制备
方法，具有广阔的应用前景。
随着对该方法的深入研究和技术改进，相信石墨烯等离子体剥离法将会成为未来石墨烯生产的重要方法之一。
采用导模共振激发表面等离子体波的石墨烯
在这里，我们模拟结构的图2中使用有限差分时域（FDTD）法对光学响应。在模拟中，石墨烯层被建模为具有的厚度为0.5纳米的各向异性电子气（参见材料和方法）。具有不同的光栅周期（Λ）的模拟正入射透射光谱示于图3a。人们可以看到确实从GWRs尖锐缺口。主凹槽具有~10dB和品质因数（Q）的〜40，这比大多数金属中红外共振结构更大的消光率。谐振频率相对于Λ的缩放非常吻合用当量3，如图3b所示。每个透射光谱，可以识别导致从多个等离子模式的多个槽口。在一个光栅周期的基本模式的侧视图电场曲线示于图3c。E场具有2π相移在每个光栅周期，和E场的符号翻转在硅肋的边缘。图3d示出了在两个水平位置，这是指数拟合E场的变化在垂直方向，和衰减长度被定义，其中的强度下降到最大强度的1 / e。图3d证实E场确实紧密沿着所述石墨烯层具有13.3毫微米在硅脊和24.2处通过空中沟槽的衰减长度受限。在较高频率的凹口是由高阶模引起的。第二阶模式的电场分布示于图3e中，其中电场具有在每个光栅周期的4π相移。从第二次模式的切口可以通过调节硅光栅的占用比被最小化。
除了FDTD模拟，我们还分析性分析光栅结构与严格耦合波分析（RCWA）方法（参见材料和方法）。结果吻合得很好用FDTD仿真，如图5b所示。该RCWA方法比FDTD仿真更快，从而使我们能够快速地探索各种设计空间。
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对应于频率为 ωp的简谐振动的运动方程！
在量子理论中，其振荡的能量ωp是量子化的，其能量量子称为等离激元。
表面等离激元
局域在表面（界面）附近的电子密度振荡
振荡波沿着表面方向传播
真空-金属界面的等离激元
对于满足Drude模型的金属-真空界面：
1
1
2 p
2
2 1
长波极限下色散关系
• 3D
p (q)0
• 2D
p (q)1/2Βιβλιοθήκη • 石墨烯 p (q)1/2
载流子浓度关系
• 3D
p (n)1/2
• 2D
p (n)1/2
• 石墨烯 p (n)1/4
一般关系
自由电子气模型下（Drude模型 in SI）
p
(
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1
)2
m0
纳米颗粒中的电子气的集体振荡
类比例子：容器中水波的振荡
等离激元的经典描述
设电子气相对与正电背景的位移为x，则产生的电场为：
E nex / 0
作用在每个电子上的恢复力为-eE，电子气的运动方程为：
d2x
n2e2 x
nm neE
dt 2
0
d2x dt 2
2 p
x
0
其中：
p
• 表面等离激元
1957年，Ritchie第一次提出“金属等离子体”的概念 1958年，Stern和Farrell首次提出表面等离子体(SP)的概念并对 SP
模式谐振条件进行了研究 1960年，Powell 和Swan 在实验中观察到金属表面等离激元的激发 1968年，Otto和Kretschmann各自提出一种棱镜耦合的方法激发表面
纳米激光器原理
衍射极限：波不
能聚焦在小于波 长一半的地方
金属
激发表面等离子 波
表面等离子波的
波长远小于激发 它的电磁波波长
表面等离激元和Plasmonics
• 表面等离激元（Surface Plasmons）是由材 料体系费米面附近电子跃迁所形成的特殊 电磁场行为，表现为金属、介质界面电子 的集体振荡，具有电磁场增强效应、热吸 收效应等，可应用于传统纳米尺度光电子 器件，并有效增强其光电特性。
石墨烯与金属表面等离激元的色散 关系比较
The end. Thank you!
可得：
2 p
c2q2
Bulk plasmon
cq
p
light
s p / 2
Surface plasmon
s
q s / c
c
q s / c
群速：dω / dk
Retarded regime
Non-retarded regime
传统plasmonics领域：贵金属 金和 银
• 对金属要求：光学电导率实部较大，虚部 较小；磁导率实部较小；欧姆损耗较小
• 金和银的问题：磁导率实部较大；与硅工 艺不相容；光学性质可调性小；可见光和 近红外表现好
石墨烯特点
• 石墨烯：高透明度，适合做ITO那样的电极 • 光学电导率可调； • 中远红外（远红外即太赫兹段THz）， • 欧姆损耗较小， • 等离子波寿命长
此外，近年来人们发现光在新型材料——石墨烯表面也能 激发表面等离激元。由于石墨烯的电导率可以通过电极或掺 杂等方式灵活调控，因此相比于金属，石墨烯在表面等离激 元的研究中更具优势。
等离激元：起源于电子间的长程库伦相互作用
ee- -
ee--
微观尺度上电子密度的起伏：电子气体相对于正离子背景的集体振荡 !
• 表面等离激元光子学(Plasmonics)在现代光 电器件的发展中起到日益增强的重要应用， 可望用于提高电子器件的运算速度及克服 光子器件的尺寸瓶颈。
公元4世纪的罗马酒杯，现在藏于英 国大不列颠博物馆
• 炼金术士们在几千年前就已经不经意地掺 杂金属物质，通过plasmonics的效应来制作 有颜色的酒杯
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金属和石墨烯的差别
• 金属 Intraband
• 碳纳米管 Intraband interband • 石墨烯 同碳纳米管
金属和石墨烯透射率比较
石墨烯：栅压调整光学电导率
金属电极受栅压的影响
• Drude 模型 • ITO
等离激元 近年来，随着微纳加工技术的飞速发展，关于SPP的研究在波导结构、 微腔结构和SPP激光器等方向均得到了突破性的进展。
• 表面等离激元
通过调整金属表面结构可以实现对表面等离激元的调制， 进而实现对入射光波的调控，这种可调控性以及光波——表 面等离激元的相互耦合转换性质使其在亚波长光子器件的应 用方面极具潜力。
光电子系列讲座之
石墨烯表面等离激发的基本性质
2019.6
研究背景
• 衍射极限 • 纳米激光器spaser（Surface plasmon
amplification by stimulated emission of radiation），中文名字叫做等离激元激光器 • 表面等离子激元Surface Plasmons • 表面等离激元光子学Plasmonics