科學家發現二維金屬中的等離激元

2020-12-18 中科院之聲

光照射在固體材料上會使其中的電子形成兩類激發：電子-空穴的對激發，稱為激子；電子的集體振蕩，稱為等離激元。等離激元有較多奇特的應用，例如，等離激元通過與光耦合形成圖1所示的極化激元（Surface plasmon polariton, SPP），在電路中進行能量和信號的傳輸。理想情況下，等離激元有著易於激發且不易衰減的特性。在傳統材料如金、銀等金屬中，由於強烈的朗道阻尼效應和等離激元與聲子散射作用，等離激元有著較低的空間限域性與極高的傳播損失率。這些問題使等離激元在電子信息、催化能源及生物技術等方面的應用均受到限制。因此，製備和發現性能優異的量子材料，使其具有良好的等離激元特性成為材料應用領域的重要研究方向。

二維材料是實現這一目標的理想平臺，在二維材料中，由於等離激元被限制在一個平面內，其衰減得到較大的抑制。石墨烯作為的二維材料的典型代表，已成為熱門的等離激元材料。然而，作為半金屬，石墨烯中載流子濃度較低，因此其等離激元的頻率遠低於常見的可見光區。其他的二維材料，也多為半金屬型（如矽烯和二硒化鈦）或半導體型（如氮化硼和二硫化鉬），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，不僅可以產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，其獨特之處在於其本徵的金屬性，預示著硼烯是較有希望的等離激元材料。

近日，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國家重點實驗室SF10組博士後廉超（現為美國德克薩斯大學奧斯汀分校博士後）和博士生胡史奇（論文共同第一作者），以及已畢業的博士張進程才，在研究員孟勝的指導下，與北京師範大學教授袁喆、北京計算科學中心教授高世武合作，通過第一性原理含時密度泛函模擬，計算了實驗上合成的β12型硼烯中的奇異的等離激元特性（圖2、3）。

研究表明，相比於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，由於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、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）。

硼烯等離激元的低能量分支僅在Γ-X方向形成和傳播。不同於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於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，二維硼烯中存在著更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為代表的二維材料等離激元這一研究領域，為豐富等離激元光子學材料提供了新思路。

相關成果發表在《物理通訊快報》上。研究工作得到科技部重點研發計劃和國家自然科學基金委員會的資助。

圖1.等離激元極化激元在材料中產生和傳播的示意圖

圖2.（a）β12型硼烯晶格結構以及布裡淵區；（b）β12型硼烯等離激元沿Γ-X 與Γ-Y方向的色散關係。圖中展示了低能模式（LE）、高能模式（HE），和石墨烯中的等離激元

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

圖4.（a）β12型硼烯三維能帶結構；（b）β12型硼烯布裡淵區電子氣分布；（c）β12型硼烯電子氣帶內躍遷分布

來源：中國科學院物理研究所

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