构建石墨烯晶界以控制石墨烯等离激元

虽然石墨烯为等离子体技术提供了巨大的优势，但在高密度的单个石墨烯片上共激发多个石墨烯等离子体通常很困难。在最近发表在ACS Nano杂志上的一篇文章中，研究人员报告了异质层半轴生长的多晶石墨烯单层，具有图案梯度晶界（GB）密度，以帮助单原子层纳米科学，集成光子学和光电子学的发展。

研究：工程石墨烯晶界用于等离子体多激发和热点。图片来源：Marco de Benedictis/Shutterstock.com

石墨烯 GB

石墨烯的二维（2D）相关准粒子可以共同振荡，在石墨烯等离子体中形成一个跨学科场。石墨烯等离激元具有优异的电磁可控性和约束性，主导着远红外和太赫兹频率。除了微加工纳米结构和化学势调制之外，石墨烯的GB也是阻碍或反射现实空间中等离激元的有希望的候选者。

尽管GB在重建石墨烯结构方面效率很高，有利于石墨烯等离子体的调谐，但它存在极端杂质掺杂和高密度问题，阻碍了其实现具有多样化和致密GB的单一石墨烯单层。因此，GB对等离子体模式的应用和影响仍然难以捉摸。

已经制定了几种策略来减少和增加GB密度;这些策略仅限于在整个基材上创建均匀的生长环境，这限制了多样化的GB生成。

石墨烯 GB 用于等离子体多激发和热点

本研究报道了杂质层半轴生长的多晶石墨烯单层，具有图案梯度GB密度。他们采用化学气相沉积方法在厘米级的基板上创建各种纳米尺寸的局部生长环境。这些几何形状使等离子体与波长的多样化共激发成为可能。

该团队使用高分辨率扫描近场光学显微镜（SNOM）展示了丰富的等离子体驻波和明亮的等离子体热点。他们观察到局部等离子体波长通过退火和改变GB密度来调整。基于理论建模，他们推断出这种等离子体多功能性的原因是由于GB通过随机相位近似方法诱导的声子 – 等离子体相互作用。所报道的种子诱导的异质性异尖极生长是GB二维材料工程的一个有前途的策略。此外，基于GB的可控等离激元在单个石墨烯单层中的共生和操作促进了石墨烯在纳米光子学和等离子体中的应用。

研究结果

采用选区电子衍射（SAED）和透射电子显微镜（TEM）研究了石墨烯薄膜环区的晶粒结构.SAED模式显示了许多斑点家族，表明存在许多不同方向的谷物。研究人员通过客观孔径滤光片获得了选定方向的颗粒的真实空间图像。石墨烯晶粒结构的整个图谱被创建，并通过晶格取向进行颜色编码。

暗场TEM图像显示，环区域具有梯度晶粒尺寸结构，接近环中心时，GB密度增加。外层、环和内侧区域获得的晶粒尺寸分别为140±56、40±21和30±13纳米。具有像差校正的高分辨率TEM表征表明，多晶石墨烯（PG）环中含有无缺陷的石墨烯晶粒，并在GB处与五边形和七边形相连。

快速傅里叶变换模式揭示了多个数字中不同取向的晶粒。该薄膜显示出高度结晶的区域，具有相似的形态和GB密度的变化。使用SNOM在大约10微米的入射红外（IR）波长下使用SNOM研究了非均匀PG（IPG）薄膜中的等离子体。基于暗场TEM和生长机理观察，研究小组证实了在单个石墨烯结构域中心的空穴内形成高密度GB。他们还在每个域中观察到一个位于中心位置的大型等离子体热点，这表明高密度GB区域是热点的起源。

从热点周围的SNOM尖端收集的纳米傅里叶变换红外（nano-FTIR）光谱用于演示局部指纹光谱。光谱显示红外吸收比原始二氧化硅（SiO₂）基底，表示等离子体从石墨烯薄膜的热点吸收。

控制 GB 分布或退火 IPG 有助于实现放大到不可预测的大小的热点。该样品中的激发热点约为1000纳米，比原始样品大两倍。在这里，IPG退火增强了其中的载流子掺杂。

结论

总之，研究人员证明了IPG薄膜的受控生长，GB密度分布具有模式化变化，其中PG环状种子用于在厘米大小的基质上创建不同的纳米级局部生长环境。

该团队还展示了通过采用近场光学成像测量的波长可调性在这种IPG中各种等离激元的共激发。这些同时被激发的等离子体显示出指数增长的波长，并通过提高GB的密度形成大的等离子体热点。此外，这种等离子体可调性是由于GB诱导的等离子体-声子相互作用，没有磁激发或外门偏置。

参考

马腾， 姚白成， 郑泽波， 刘志波， 马伟， 陈茂林， 陈焕军等 （2022）.用于等离子体多激发和热点的工程石墨烯晶界。ACS Nano. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00396