CHINESE JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY

【编委的话】 

      表面等离极化激元是光子与材料表面自由电子相互作用形成的一种电磁振荡模式，对电磁场具有限域效应和局域增强效应，可以在亚波长尺度实现对光的操控。由于低维纳米材料的维度和尺寸效应，其表面等离极化激元会展现出更丰富的物理性质。扫描近场光学显微技术可以突破光学衍射极限而在纳米尺度上进行物理光学特性表征，从而能够实现在实空间上对材料表面等离极化激元的研究。鉴于此，本刊特邀加州大学伯克利分校王枫团队为本刊撰写（英文）综述性文章，总结近十年来利用扫描近场光学显微技术研究石墨烯和碳纳米管表面等离极化激元物理现象的研究工作，尤其总结了石墨烯和碳纳米管等离极化激元实空间研究的具有里程碑意义的研究进展，并对该研究方向未来工作进行了展望。文章作为封面文章发表在《真空科学与技术学报》第41卷，第7期，591-601页。

本刊编委 中山大学 邓少芝 教授

【文章介绍】 

       在亚波长尺度实现对光场和电磁波能量的操控，在纳米集成光电器件的发展中具有重要意义。表面等离激元是光和电子耦合的激发态，其不受光学衍射极限的限制，因此在纳米光电器件中具有重要的应用前景。扫描近场光学显微镜结合了光谱学技术和扫描探针技术，克服了远场光学测量的衍射极限限制，将光学测量的空间分辨率提高到纳米量级，是在实空间上研究低维量子材料中表面等离激元的重要工具。近日，加州大学伯克利分校姜丽丽博士、赵文宇博士和王枫教授在《真空科学与技术学报》上发表综述文章，概述了应用扫描近场光学显微技术研究石墨烯及碳纳米管实空间等离激元学的最新进展。

金属中的等离激元往往表现出高损耗，并且很难实现电场的调控，因此限制了其在纳米光电器件中的应用。与之相比，在具有高迁移率费米-狄拉克电子的石墨烯中，等离激元具有高度的电学可调控性以及低损耗的特性。与此同时，石墨烯中等离激元受到维度的影响，表现出高度的量子限域效应以及新奇的物理特性。石墨烯等离激元的共振频率在红外至太赫兹连续可调。在低温下，石墨烯中等离激元可以在实空间上传播50个波长的距离。这为研究基于等离激元的 Fizeau Drag提供了重要的保障。除此之外，石墨烯纳米结构中的等离激元也展现出丰富的物理特性，如石墨烯中的拓扑畴界会表现出孤子依赖以及电场可调的等离激元反射行为；石墨烯纳米带中具有共振的波导等离激元模式等。这些为设计基于石墨烯等离激元的纳米光电器件提供了新思路。

与二维石墨烯不同，一维碳纳米管中的表面等离激元表现为Luttinger液体量子等离激元，该等离激元以量子化的速度传播。金属性单壁碳纳米管中具有线性Luttinger液体等离激元，其传播速度不依赖于载流子浓度。而半导体性单壁碳纳米管中，等离激元之间存在相互作用，因此表现为非线性Luttinger液体等离激元，其波长会随载流子浓度改变。一维碳纳米管中的Luttinger等离激元表现出更高的量子限域效应，以及在传播中更低的损耗，因此在纳米光电器件中也具有潜在的应用价值。

利用扫描近场光学显微镜在实空间研究等离激元的驻波和传导波可以使人们深入了解承载等离激元的介质中出现的新奇量子现象，这将有助于基础物理和基于等离激元学的纳米光电技术的发展。作者希望在不久的将来，低维碳材料中高度局域化和强限域化的等离激元以及它们具有的非凡特性能够加速基于等离激元的原型器件的发展。

更多内容请见《真空科学与技术学报》第41卷，第7期，591-601页。

DOI:10. 13922 / j. cnki. cjvst.202106027

引用格式：

L. Jiang, W.Zhao, F.Wang, Recent Progress on Real-Space Graphene and Carbon Nanotube Plasmonics, Chin.  J. Vac.  Sci.  Tech,  41, 7, 591-601(2021)     

【王枫教授课题组简介】

加州大学伯克利分校王枫教授课题组的研究方向为凝聚态系统中光与物质的相互作用，主要应用先进的光谱学手段研究纳米结构中、材料表面界面上发生的新奇物理学现象。该课题组在低维量子材料的光谱学研究中取得了许多重要研究成果，特别是在石墨烯、碳纳米管、过渡金属硫化物研究中发表了许多开创性的研究工作。

【通讯作者简介】

姜丽丽，2016年博士毕业于中国科学院物理研究所，之后在加州大学伯克利分校进行博士后研究。主要研究方向为结合先进的激光光谱学技术与纳米尺度的扫描探针技术，突破光学衍射极限来探索低维量子材料中的新奇物态并实现其物性调控，研究领域涉及低维量子材料制备、纳米光学、二维极化激元学等。发表SCI论文20余篇，包括Nature，Nature Materials，Nature Nanotechnology，Nature Physics，Nature Electronics，Advanced Materials等顶级期刊。