中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
SF10組供稿
第100期
2020年12月10日
發現二維金屬中奇異的等離激元

  光照射在固体材料上会使其中的电子形成两类激发:一种是电子-空穴的对激发,称为激子;另一种是电子的集体振荡,称为等离激元。等离激元有很多奇特的应用,例如等离激元通过与光耦合形成图1所示的极化激元 (Surface plasmon polariton, SPP),在电路中进行能量和信号的传输。理想情况下,等离激元有着易于激发并且不易衰减的特性。在传统材料比如金、银等金属中,由于强烈的朗道阻尼效应和等离激元与声子散射作用,等离激元有着极低的空间限域性与极高的传播损失率。这些问题使得等离激元在电子信息、催化能源以及生物技术等方面的应用都受到限制。因此,制备和发现性能优异的量子材料,使其具有良好的等离激元特性成为材料应用领域一个重要的方向。


图1. 等离激元极化激元在材料中产生和传播的示意图。

  二維材料是實現這一目標的理想平台,在二維材料中,由于等離激元被限制在一個平面內,其衰減得到了極大的抑制。石墨烯作爲的二維材料的典型代表,已經成爲一個極其熱門的等離激元材料。然而,作爲半金屬,石墨烯中載流子濃度較低,因此其等離激元的頻率遠低于常見的可見光區。其他的二維材料,也多爲半金屬型(如矽烯和二硒化钛)或半導體型(如氮化硼和二硫化钼),因而無法彌補載流子濃度低這一缺陷。因此,尋找合適的二維金屬材料,不僅可以産生低衰減率的等離激元,而且可以與可見光進行耦合,在集成光子學器件中有著重要的應用。硼烯是一種新型二維材料,其獨特之處在于其本征的金屬性,預示著硼烯是很有希望的等離激元材料。

图2. (a) β12型硼烯晶格结构以及布里渊区; (b) β12型硼烯等离激元沿Γ-X 与Γ-Y方向的色散关系。图中展示了低能模式(LE)、高能模式(HE),和石墨烯中的等离激元。

  最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理国家重点实验室SF10组的博士后廉超(现为德州大学奥斯汀分校博士后)和博士生胡史奇(共同第一作者),以及已毕业的张进博士和程才博士,在孟胜研究員的指导下,与北京师范大学袁喆教授和北京计算科学中心高世武教授合作,通过第一性原理含时密度泛函模拟,计算了实验上合成的β12型硼烯中的奇異的等離激元特性(圖2和圖3)。

图3. (a) β12型硼烯等离激元限域能力λair/λp随能量的变化; (b) β12型硼烯等離激元傳播損失率Re[q]/Im[q]隨能量的變化。

  他們發現,相比于石墨烯和黑磷等材料,硼烯在保持二維材料較強的光與材料相互作用的同時,由于其金屬特性以及特殊的狄拉克能帶結構,它在電子濃度、等離激元頻域等方面有著優異的等離激元性能。研究發現硼烯中存在兩類載流子:中心在X點的一維電子氣,和中心在Y點的二維電子氣(圖4)。兩種載流子分別對應了硼烯等離激元的兩個分支:二維電子氣形成了各向均勻的高能量分支,而一維電子氣則形成了各向異性的低能量分支。這兩種模式有著涵蓋太赫茲到紫外波段廣泛的頻率範圍,因此可以與可見光實現充分耦合。同時,兩支等離激元具有和石墨烯等離激元同樣的低衰減率(圖3)。

图4. (a) β12型硼烯三维能带结构; (b) β12型硼烯布裏淵區電子氣分布;(c) β12型硼烯電子氣帶內躍遷分布。

  更爲獨特的是,硼烯等離激元的低能量分支僅在Γ-X方向形成和傳播。不同于以往一維結構的等離激元,這一發現意味著在二維結構中依然可以存在單向傳輸的一維等離激元模式。更深入的電子結構分析證明了這個一維模式源自于硼烯獨特的電子結構,並且由硼烯中狄拉克電子的帶內躍遷所貢獻。研究表明,二維硼烯中存在著比想象中更爲豐富的光與物質的相互作用圖像,二維、一維電子氣與狄拉克電子氣集體激發的相互作用是導致奇異量子等離激元出現的重要原因,這也賦予其低損耗、寬頻域和高定向等優良特性。這一發現拓展了以石墨烯爲代表的二維材料等離激元這一研究領域,爲豐富等離激元光子學材料提供了新的思路。

  相关成果近日发表在《物理通讯快报》(Physical Review Letters) 上https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.116802。该工作得到了科技部重点研发计划(2016YFA0300902,2015CB921001)和国家自然科学基金委(11774396, 91850120, 11934004)的资助。作者感谢与物理所陆凌研究員的有益讨论。