Nature Materials：在半导体碳纳米管中，发现可电调控的等离体激元

来源：纳米人

原标题：王枫Nature Materials：在半导体碳纳米管中，发现可电调控的等离体激元

第一作者：王胜

研究亮点：

1. 通过把碳纳米管制备成场效应管纳米器件来调控碳纳米管中载流子浓度，并用扫描近场光学显微镜实时激发探测碳纳米管中的等离体激元。

2. 发现金属/半导体碳纳米管的等离体激元不随/随着载流子浓度变化。金属和半导体碳纳米管的等离体激元的行为分别能用线性和非线性拉廷格液体理论描述。

一维体系中等离体激元

二维或者三维金属中的电子能够很好用费米液体理论模型描述。尽管电子之间有相互作用，但是总是可以将该体系绝热近似过渡到没有相互作用的费米电子气。该模型在一维体系中不再成立，电子不再能够像二维或者三维体系中用准费米子激发描述。一维体系得用拉廷格液体理论描述。这时候体系没有单粒子激发，只有集体激发，包括自旋集体激发，和电荷集体激发，其中电荷集体激发又称等离体激元。一维体系的能带结构如果是严格线性的，那么体系可以用线性拉廷格液体理论描述，该体系等离体激元不随载流子浓度变化。但是如果一维体系有非线性的能带结构，该体系等离体激元会有完全不同的表现形式，得用非线性拉廷格液体理论描述。尽管有不少理论预测一维体系中等离体激元的模式，但是尚缺乏系统的实验来探索这些表现行为。

成果简介

加州大学伯克利分校王枫课题组发现了半导体碳纳米管中可电调控的等离体激元。该可调控行为源自具有非线性能带的一维材料的非线性拉廷格液体的电子集体激发。

要点1：金属和半导体碳纳米管制备成场效应管纳米器件

有鉴于此，加州大学伯克利分校博士生王胜与导师王枫及其合作者将金属和半导体碳纳米管制备成场效应管纳米器件。其中金属碳纳米管具有线性的能带结构，而半导体碳纳米管具有双曲线性的能带结构，这分别对应线性和非线性拉廷格体系。通过给连接碳纳米管的金属电极和硅电极之间加上电压Vg，碳纳米管中的载流子浓度能够被调控。同时用扫描近场光学显微镜能够直接激发探测体系中的等离体激元，进而能够系统研究金属和半导体碳纳米管中（也即线性和非线性拉廷格体系中）等离体激元随着载流子浓度的变化。

要点2：半导体碳纳米管中等离体激元随载流子浓度的表现行为研究

实验中看到金属碳纳米管(M1和M2)中的等离体激元不随载流子浓度变化，而半导体碳纳米管(S1和S2)中的等离体激元随着载流子浓度剧烈变化。金属碳纳米管具有严格的线性能带结构，因而电子费米速度和能态密度都与载流子浓度无关。这从而导致电子的集体激发，即等离体激元不依赖于载流子浓度。该表现行为同线性拉廷格液体理论吻合。

通过对半导体碳纳米管中等离体激元随载流子浓度变化的进一步定量分析，作者得到半导体碳纳米管中的等离体激元的波长和品质因子都随着载流子浓度的增大而增加。该变化和半导体碳纳米管的双曲线能带结构密切相关。随着载流子浓度增大，电子的费米速度增加，从而导致等离体激元的速度增加。而在一定频率的激发下，波长和速度成正比，从而导致等离体激元的波长增加。

同时等离体激元的品质因子也随载流子浓度的增大而明显增加。值得注意的是，根据杂乱相位理论（Random Phase Approximation），一维体系中的等离体激元缺乏内在的衰减机制，故而等离体激元品质因子也应不明显依赖于载流子浓度。作者实验中观测到的半导体碳纳米管等离体激元随载流子浓度明显变化的行为能够用非线性拉廷格液体理论描述。

根据非线性拉廷格液体理论，当一维体系有非线性能带结构时，该体系中不同能量等离体激元能够相互作用，从而导致一定能量的等离体激元在满足能量动量守恒条件下能够衰减成几个能量更低的等离体激元。在半导体碳纳米管中，当载流子浓度较低时候，费米能级较低，因而能带曲率大，等离体激元衰减严重，从而导致等离体激元的品质因子低。而随着载流子浓度增加，费米能级增加，半导体碳纳米管的双曲线能带更加趋近于线性，因而能带曲率变小，等离体激元的品质因子增加。总而言之，非线性拉廷格液体理论能够很好的描述半导体碳纳米管中等离体激元随载流子浓度的表现行为。

小结

该工作阐述了半导体碳纳米管中的非线性拉廷格液体等离体激元的表现行为。同时半导体碳纳米管中电调控的等离体激元能够用于各种纳米光学应用。

参考文献

Wang, S., Zhao, S., Shi,Z. et al. NonlinearLuttinger liquid plasmons in semiconducting single-walled carbonnanotubes. Nat. Mater. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0652-5 

作者简介

王胜，中国科大本科，加州大学伯克利分校物理博士在读，曾获中国科大郭沫若奖。

王枫，复旦大学本科，哥伦比亚大学博士，加州大学伯克利分校MillerFellow，现为伯克利物理系正教授，曾获2010年度美国青年科学家总统奖，Alfred P. Sloan Research Fellow， APS Fellow等。