石墨烯表面等离激元
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。
石墨烯等离激元模拟仿真方法
石墨烯等离激元有限元模拟采用comsol 二维模拟仿真，基本模型为石墨烯的条带阵列，主要参数为条带宽度w （100nm ），条带周期p （2w ），和条带厚度t （1nm ）。
绘制一个宽度为P ，高度为h （600nm ）的矩形区为空气区，绘制长度为w 的线段代表石墨烯条带。
矩形区上方设置端口1（波激励：开 磁场模式0(001)H =），下方设置端口2（波激励：关 磁场模式0(001)H =）。
两边设置周期边界条件代表两边无线延伸的条带阵列。
石墨烯条带由过渡边界条件定义，相对介电常数为ε，厚度为t 。
模型示意图
石墨烯的电导率由式计算得到
int int ra er σσσ=+
2int 212ln exp 1()B F F ra B
B e k T E E i i k T k T σπωτ-⎡⎤⎛⎫⎛⎫=+-+⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪+⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦ 12
int 12()ln 42()F er
F E i e i E i ωτσπωτ--⎡⎤-+=⎢⎥++⎣⎦
式中：T ——温度，300T K =
ω——入射波角频率
τ——弛豫时间，12/()F F ev E τμ-=
F
v ——费米速度，61110F v m s -=⨯
μ——载流子迁移率，21110000()cm V s μ--=
F E ——石墨烯费米能级，0.53F E eV =
石墨烯的相对介电常数由式14/()i tw επσ=+计算得到。
表面等离激元金属圆盘阵列二维材料
表面等离激元金属圆盘阵列二维材料一、啥是表面等离激元呢？这可是个超级有趣的概念哦。
想象一下，在金属表面，电子们就像是一群调皮的小精灵，当有光照射到金属表面的时候，这些小精灵就会集体兴奋起来，形成一种特殊的电磁振荡现象，这就是表面等离激元啦。
它就像是金属表面的一场独特的狂欢派对，光和电子在那里欢快地互动着。
二、那金属圆盘阵列又是怎么回事呢？这就像是把好多好多金属圆盘按照一定的规律排列起来。
这些圆盘就像是一个个小士兵，整整齐齐地站在那里。
当表面等离激元在这些圆盘上发生的时候，又会有一些特别的事情出现哦。
因为这些圆盘的形状、大小以及它们之间的距离等因素都会影响表面等离激元的行为。
比如说，如果圆盘之间的距离变小了，那表面等离激元的振荡可能就会变得更加剧烈，就像一群挤在一起的小精灵更加疯狂地跳动一样。
三、再来说说二维材料吧。
二维材料可是材料界的新宠儿呢。
它们薄得就像一张纸，只有几个原子层的厚度。
像石墨烯就是很著名的二维材料啦。
当把表面等离激元金属圆盘阵列和二维材料结合在一起的时候，那简直就是开启了一个全新的世界。
二维材料的特殊性质会和表面等离激元金属圆盘阵列的特性相互影响。
比如说，二维材料可能会改变表面等离激元的传播方向或者增强它的某些特性。
这就好比是两个有着不同超能力的小伙伴走到了一起，然后互相分享自己的超能力，变得更加强大。
四、这种组合在很多方面都有着巨大的潜力呢。
在光学领域，可能会产生一些全新的光学现象，就像发现了一种新的彩虹一样神奇。
在电子学方面，也许能制造出更加高效的电子元件，让我们的电子产品变得更加小巧、更加智能。
而且在传感器领域，也可能会有突破性的进展。
比如说，可以制造出能够检测到极其微小物质的传感器，就像给科学家们装上了一双超级敏锐的眼睛一样。
石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性
石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性农金鹏;韦玮;朱永;汤林龙;张桂稳;蒋肖;陈娜;魏大鹏【摘要】表面等离激元共振技术具有无需标记、灵敏度高、实时检测等优点,已广泛应用于生物医疗、环境监测及食品安全等领域. 相对于传统贵金属材料表面等离激元共振传感器而言,铝表面等离激元共振传感器具有价格低廉、共振光谱带宽小等优点,已逐渐成为了该领域的研究热点. 针对铝材料存在与生物分子兼容性差、易氧化等缺点,利用石墨烯化学稳定性好、比表面积大、抗氧化能力强、生物兼容性好等独特优势,将其作为与被测分子直接接触的传感层,提出了一种石墨烯覆盖铝纳米光栅的表面等离激元共振传感器. 首先,基于多物理场有限元仿真软件建立了该传感器的物理模型,分别分析了石墨烯层数和铝光栅结构参数(占空比、高度、周期)对传感器共振光谱的影响. 结果表明,石墨烯与铝光栅的复合有效增强了入射光波与传感器的相互作用,采用单层石墨烯与铝光栅复合时,共振峰具有最窄的光谱带宽. 当铝纳米光栅结构Λ=600 nm,H=40 nm,η=70％时,光谱反射率为零. 进一步分析了结构优化后的传感器的传感特性. 结果表明,单层石墨烯覆盖铝纳米光栅传感器具有最高的品质因数24.5 RIU-1,其灵敏度高达626 nm·RIU-1. 该传感器具有探测精度高、分子兼容性好等优点,能为生化分析、环境监测和食品安全等领域提供一个新的绿色传感平台.%Combining with the extraordinary advantages of fast-speed,label-free,high sensitivity,and real-time results,surface plasm on resonance (SPR) technology has been widely used in fields such as biochemical analysis,environmental monitoring and food safety as well as in many other asp ects.In contrast to the SPR sensors utilizing the traditional noble metals (gol d,silver),SPR sensors based on aluminum plasmonic have recently drawn research ers' interests in these fields due toits superior features of low cost,narrow spectral bandwidth and amenability to manufacturing processes.However,aluminu m exhibits the intrinsic shortcomings of bad biocompatibility and easy oxidation,which severely limit its applications.To address this problem,a surface plas mon resonance sensor based on graphene-covered aluminum nano-grating is propos ed.A monolayer graphene is employed as the sensing layer that can contact direc tly with the molecular to be measured,because it emerged as a revolutionary two-dimensional material that shows the attractive properties of good chemical sta bility,large surface volume ratio,strong anti-oxidation ability,and excellen t biocompatibility.Firstly,a physical model of the sensor is built based on fi nite element method employing COMSOL multiphysics,and the influence of the grap hene layers and structure parameters of aluminum nano-grating (occupationratio,height,and period) on the resonance spectral characteristics is investigated.Simulation results show that the coating of the graphene on the aluminum nanograting exhibits strongly enhanced interaction between incident light and the de vice.Moreover,the resonance spectrum possesses the narrowest bandwidth when th e aluminum nano-grating is covered by a monolayer graphene,and the reflectance of resonance spectrum is zero when the structure parameters of nano-grating ar e Λ=600 nm,H=40 nm and η=70％,respectively.Secondly,we further investigate the sensing characteristic of the sensor with optimized structure pa rameters.The results demonstrate that the sensor with a monolayer graphene cove red on aluminum nano-grating obtains the highest figure of merit of 24.5 RIU-1,and the corresponding sensitivity is 626 nm·RIU-1.Such a SPR sen sorwith high sensitivity and good biocompatibility provides a green platformfo r applications in fields such as biochemical analysis,environmental monitoring and food safety monitoring.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2017(037)004【总页数】6页(P997-1002)【关键词】表面等离激元;共振光谱;石墨烯;铝纳米光栅【作者】农金鹏;韦玮;朱永;汤林龙;张桂稳;蒋肖;陈娜;魏大鹏【作者单位】重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;重庆大学光电工程学院,重庆 400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学光电工程学院,重庆 400044;中国科学院重庆绿色智能技术研究院,重庆 400714;重庆大学光电工程学院,重庆 400044;中国科学院重庆绿色智能技术研究院,重庆 400714;重庆市石墨烯薄膜制备工程技术研究中心,重庆 401329;重庆大学光电工程学院,重庆 400044;重庆大学光电工程学院,重庆 400044;重庆大学光电工程学院,重庆 400044;中国科学院重庆绿色智能技术研究院,重庆 400714;重庆市石墨烯薄膜制备工程技术研究中心,重庆 401329【正文语种】中文【中图分类】O539表面等离激元共振(surface plasmon resonance，SPR)[1-2]技术具有无需标记、灵敏度高、实时检测等优点，已广泛应用于生物医疗、环境监测及食品安全等领域。
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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。