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基于石墨烯的量子纳米体系表面等离激元特性与激发方式的理论研究
结题报告
批准号:
11474207
项目类别:
面上项目
资助金额:
80.0 万元
负责人:
张红
依托单位:
学科分类:
A2004.凝聚态物质电子结构
结题年份:
2018
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈钢、张软玉、张林、刘俊超、舒晓琴、张开彪、李乐乐、张亚飞
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中文摘要
尺度10纳米以下石墨烯中表面等离激元在分子尺度的聚焦、粒子捕获、吸收、生物传感和疾病治疗等方面有巨大应用价值,它可以和光子、声子以及电子发生相互作用产生新奇丰富的物理现象,对其研究具有重要科学意义。在微观物理机制、波段扩展和调控方式等方面亟需在全量子水平上对其开展理论研究。本项目采用含时密度泛函理论、多体格林函数以及量子Monte Carlo等研究石墨烯量子纳米体系的等离激元特性,为等离激元研究提供基准性数据。研究体系包含平面型和层叠型石墨烯构成的阵列及其和金属纳米线、管等组成的复合结构,考虑形状、尺寸、边缘、掺杂、间距、排列方式以及激发场偏振方向等影响。采用含时密度泛函框架下的实时传播子方法研究低能运动电子激发以及表面声波辅助光激发两种激发方式下石墨烯中的电子激发动力学和等离激元性质,建立特定激发方式下局域场增强的微观动力学图象,为优化设计不同应用背景下的纳米等离激元器件提供理论指导。
英文摘要
The surface plasmon in graphene (with the size smaller than 10 nm) possesses unique properties such as broad frequency band, long lifetime and enabled control due to the quantum finite-size effect, which makes it great potential value in the application for focusing, particle trapping, absorption, biosensor, and cancer therapy at molecular scale. The surface plasmon in graphene can interact with photon, phonon and electron, and generates many marvelous physical phenomena. The surface plasmon in graphene is also a complex platform for the exploration of many-body physics. So the investigation on it has great scientific significance. Hence, it is necessary to investigate theoretically the plasmon excitation, band broadening and controlling method by using a fully quantum-mechanical method. In this project, the surface plasmon of graphene nanosystems with both stacked and planar structure will be investigated,and the hybrid structure of nanographene with metal nanowire and metal nanotube will be studied also. The quantum methods used include time-dependent density functional theory (TDDFT),many-body Green function(GW) and quantum Monte Carlo method(QMC).We will present benchmark data for the theoretical study of surface plasmon after careful checking the results obtained from using different methods.In addition, the plasmon properties especially the coupling property between graphene quantum monomer will be studied also, which can be influenced by geometry, size, edge, doping, distance between the dots and polarization direction of light. For the low energy electron moving atop the graphene, we will study the dynamic process of the electron excitation in the graphene, and the characteristic of surface plasmon, using the time-dependent density functional theory in the real-time-propagation (RTP) approach, and we try to grasp the physical nature in it. Similarly, the excited situation for surface sound wave assisted will be studied. The micro-dynamic picture of surface plasmon excitation and local field enhancement under the interaction of low energy moving electron or surface acoustic wave will be obtained. These results would provide useful information for nano-scale graphene plasmon device.
本课题主要研究内容:.1)在理论上对尺度在10纳米以下的石墨烯及其构成的多种特征结构的表面等离激元特性进行了系统研究。该尺度在众多领域有重要应用价值,且量子受限效应和边界状态影响明显,其特性与大尺度石墨烯有很大的区别并具有丰富的物理现象。.2)基于含时密度泛函理论方法研究石墨烯阵列中各单体之间的等离激元及耦合效应。通过设计不同图案的石墨烯或石墨烯孔洞型阵列,分析形状、尺寸、缺陷、边缘、掺杂、间距、排列方式以及激发场的偏振方向等对等离激元以及耦合特性的影响。和宏观大小材料相比,纳米结构的等离激元具有一些不同的特征,在低能共振区,光谱线发生展宽,并且发生劈裂。.3)探究掺杂石墨烯量子点中表面等离激元特性。通过氮、硫、硼等掺杂石墨烯量子点能够实现对体系等离激元性能的调控,并探究掺杂浓度、掺杂方式等对表面等离激元共振模式的调控以及对空间局域场增强效应的影响。实现了石墨烯等离激元的共振频率从中红外区域到太赫兹频段的可调,极大拓宽了作用范围。.利用不同衬底对石墨烯量子纳米系统中表面等离激元进行调控。研究不同金属衬底对石墨烯及其构成的多种特征结构中表面等离激元共振模式的影响,以及衬底对等离激元耦合和局域场增强效应的影响。通过贵金属膜的调节,等离激元主峰的能量共振移动到可见光区域。.4)对其它类石墨烯的二维平面纳米结构的表面等离激元进行探究。分别研究了磷烯、BC3、C2O、Si2BN等体系的等离激元特性,表现出了异于石墨烯纳米结构的独特性能。.5)研究了运动电荷在石墨烯中的电子激发动力学行为及等离激元特征。另外,分析在表面声波和激发光的共同作用下石墨烯中电子激发的本质性变化及其对表面等离激元的调控规律。. 项目针对石墨烯量子纳米结构的表面等离激元特性进行了系统研究,并探究了外界条件(性状、尺寸、掺杂、间距等)对体系等离激元性能的影响,在国内外重要刊物上发表了一系列有一定影响的论文,举办了重要学术会议,研究工作得到国内外同行的认同。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:--
发表时间:2018
期刊:CHINESE PHYSICS B
影响因子:1.7
作者:Xiang-Yue Liu;Hong Zhang;Xin-Lu Cheng
通讯作者:Xin-Lu Cheng
Coherent resonance of quantum plasmons in the graphene-gold cluster hybrid system
石墨烯-金簇杂化系统中量子等离子体的相干共振
DOI:10.1039/c4cp05049e
发表时间:2015
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics
影响因子:3.3
作者:KB Zhang;Hong Zhang(通讯作者);Chikang Li
通讯作者:Chikang Li
Ti-decorated B-38 fullerene: A high capacity hydrogen storage material
钛修饰的B-38富勒烯:一种高容量储氢材料
DOI:10.1016/j.ijhydene.2016.07.223
发表时间:2016
期刊:International Journal of Hydrogen Energy
影响因子:7.2
作者:Liu Pingping;Zhang Hong;Cheng Xinlu;Tang Yongjian
通讯作者:Tang Yongjian
Field-level characterization of the optical response in J-aggregate/metal hybrid nanostructures by chirp-compensated spectral interferometry
通过线性调频补偿光谱干涉法对 J 聚集体/金属混合纳米结构中的光学响应进行场级表征
DOI:10.1063/1.4980043
发表时间:2017-04
期刊:APPLIED PHYSICS LETTERS
影响因子:4
作者:Wang Wei;Zhang Hong;Vogelgesang Ralf;Vasa Parinda;Lienau Christoph
通讯作者:Lienau Christoph
Plasmons in N-doped graphene nanostructures tuned by Au/Ag films: a time-dependent density functional theory study
由 Au/Ag 薄膜调节的 N 掺杂石墨烯纳米结构中的等离子体激元:时间相关的密度泛函理论研究
DOI:10.1039/c7cp07507c
发表时间:2018
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics
影响因子:3.3
作者:Xiaoqin Shu;Hong Zhang;Xinlu Cheng
通讯作者:Xinlu Cheng
几种典型层状化合物中超快激光调控的动力学过程与超导关系研究
  • 批准号:
    11974253
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    张红
  • 依托单位:
低能Arq+离子与固体表面碰撞的动力学过程研究
  • 批准号:
    11074176
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    34.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    张红
  • 依托单位:
低温下多孔储氢材料表面吸附特性动力学的理论研究
  • 批准号:
    10976019
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    30.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    张红
  • 依托单位:
国内基金
海外基金