Nature Commun.: 混合维度范德华异质结构中的电可调控的等离体激元

表面等离体激元是自由电荷和电磁波耦合形成的集体电磁振荡模式，能够在纳米尺度上 *** 纵光与物质的相互作用。不同金属结构中的等离体激元的色散模式取决于它们的空间维数，并且已经在基础物理学和应用技术中得到深入研究。 加州大学伯克利分校王胜及其导师王枫和合作者 最近报导了来自一维碳纳米管和二维石墨烯形成的混合维度范德华异质结构中的杂化等离体激元[1]。金属碳纳米管中等离体激元具有同常规等离体激元截然不同的量子特性，其等离体激元特性与载流子密度无关，故而无法通过栅极电压调控[2][3][4]。与此相反，碳纳米管/石墨烯异质结构中的等离体激元波长能够被栅极电压连续调控，且调控幅度高达75%，并与此同时保持了一维体系中等离体激元超空间压缩和低损耗的优异特性。这表明混合维度范德华异质结构能够实现兼具各种不同功能的电可调控的等离体激元纳米元件。该成果发表在国际期刊 《Nature Communications》 上[1]。

第一作者：王胜,SeokJae Yoo, Sihan Zhao,伯克利

通讯作者：王胜,SeokJae Yoo, 王枫,伯克利

表面等离体激元是自由电荷和电磁波耦合形成的集体振荡模式, 并能在超越衍射极限的纳米尺度之下调控光与物质的相互作用。材料体系的空间维度对等离体激元的特性有深远的影响。在碳纳米管等一维材料中，电子之间的强关联相互作用形成Luttinger液体，导致一维Luttinger液体体系呈现特殊的量子等离体激元特性。在金属性碳纳米管中，等离体激元结合了非色散的传播速度，深亚波长局域，以及低损耗等优异特性，但由于该体系中的量子等离体激元不随载流子浓度变化故而无法被栅极电压调控[2][3][4]。被氮化硼二维薄膜包裹的二维石墨烯中的等离体激元能够很好地被栅极电压调控。不同维度材料之间等离体激元的耦合可以极大地改变等离体激元的色散性质并呈现新的性能，然而这种混合维度材料中的等离体激元模式尚未得到探测。

鉴于此， 加州大学伯克利分校王胜及其导师王枫和合作者 设计并制备了碳纳米管/氮化硼/石墨烯混合维度的范德华异质结构并研究了该混合维度异质结构中碳纳米管等离体激元和石墨烯等离体激元的强耦合作用。亮点如下：

亮点1. 借鉴二维材料中的基于温控黏性塑料薄膜的干法转移堆叠技术，成功可控地制备了干净的碳纳米管/氮化硼/石墨烯混合维度异质结构，并用自己搭建的灵敏度极高的扫描近场光学显微镜系统性地研究了该体系中的杂化等离体激元模式。

a SWNT/h-BN/Graphene异质结构中等离体激元的红外纳米成像示意图。设计的混合维度异质结构通过基于温控黏性塑料薄膜的干法转移堆叠技术实现，自上而下布局为SWNT/Top h-BN/Graphene/Bottom h-BN/SiO2/Si。石墨烯载流子密度可以通过施加的栅极电压Vg所连续调控。为实现基于扫描近场光学显微镜的红外纳米成像，使用波长为10.6 μm的红外激光照射原子力显微镜的针尖尖端并收集来自尖端的d性散射光。b 石墨烯和顶部h-BN层的边界分别用黑色和绿色虚线勾勒出轮廓。石墨烯和顶部h-BN之间的重叠区域以及其顶部的碳纳米管（光学不可见）构成了SWNT/h-BN/Graphene异质结构。c , d 异质结构代表性区域的高度像和相应的近场图像。c 中的M1和M2是金属碳纳米管，由于等离体激元的激发，在近场图像中具有明亮的对比度，而c 中的S是半导体碳纳米管，由于缺乏自由电子，近场响应可忽略不计。

亮点2. 通过栅极电压电调控石墨烯中等离体激元的波长以实现同金属碳纳米管中等离体激元波长相匹配，从而实现两种等离体激元模式的强耦合作用。该强耦合作用形成的杂化等离体激元兼具了碳纳米管等离体激元深亚波长局域以及低损耗的特性，同时也具有石墨烯等离体激元电可调控的特性。这些特性是单一体系中等离体激元难以兼具的，故而这种混合维度等离体激元体系能够实现兼具各种优异性能的电可调控的纳米光学器件。

a 长SWNT M1的高度像。b – i 在40到-100 V的不同栅极电压下SWNT M1的相对应的近场图像。与碳纳米管平行的双条纹源于针尖尖端激发和碳纳米管反射的石墨烯等离体激元波之间的干涉。随着栅极电压的增加，双条纹变得更加明显且更加分开。这种演化表明石墨烯载流子密度和相应的石墨烯等离体激元能够由施加的栅极电压连续调节。我们清楚地观察到碳纳米管末端附近显著的近场信号振荡，并且它们敏感地依赖于栅极电压。等离体激元波长λp等于近场图像中振荡周期的两倍，由白色双箭头（d和i）所标记，并且随着栅极电压远离0V而变得更长。j 短SWNT M2的高度像。k – s SWNT M2在40到-120 V的各种栅极电压下的相对应的近场图像。SWNT M2作为法布里-珀罗等离体激元纳米腔，其中传播的等离体激元在纳米腔两端来回反射并产生集体响应。从m - s，波腹的数量从7减少到4，实现的等离体波激元调控幅度约为 75%。

参考文献

[1] Wang, Sheng et al. Gate-tunable plasmons in mixed-dimensional van der Waals heterostructures. Nature Communications 12, 5039 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25269-0

[2] Wang, Sheng, et al. "Nonlinear Luttinger liquid plasmons in semiconducting single-walled carbon nanotubes." Nature Materials 19, 986-991 (2020).

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

以及本公众号往期文章“半导体碳纳米管中的非线性拉廷格液体等离体激元”。

[3] Wang, Sheng, et al. "Logarithm Diameter Scaling and Carrier Density Independence of One-Dimensional Luttinger Liquid Plasmon." Nano Letters 4, 2360-2365 (2019):2360-2365.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b05031

[4] Wang, Sheng, et al. "Metallic Carbon Nanotube Nanocavities as Ultra-compact and Low-loss Fabry-Perot Plasmonic Resonators." Nano Letters 4, 2695-2702 (2020).

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c00315

以及本公众号往期文章“NanoLett.：金属碳纳米管纳米腔：超紧凑和低损耗法布里-珀罗等离激元谐振器”。

文章链接

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25269-0

本文转自：

https://mp.weixin.qq.com/s/4e2wo8OnMiGt6WADQ_4AXw

等离激元前沿

五一期间，外围又不太平，诸多不切实际的言论导致欧美股以及A50暴跌，不少投资者愉悦的过节心情大打折扣，A股节后的行情也蒙上了一层阴影。

一时间，市场开始充斥悲观言论，短期冲击或许触发获利了结，但在经历了两年的贸易战与年初 历史 罕见的全球暴跌后，这种级别的冲击对A股影响其实有限。

反而很可能导致风向再次改变，节前的盘面已经有了反应， 科技 半导体将重回行情主线，主要有三方面的依据。

第一，根据过去两年多的经验，几乎每次美国针对我国半导体产业搞事情，板块个股都会以上涨作为回应。

比如，2019年8月初贸易战大幅升级，正是这轮半导体翻倍行情的起点。

第二，面对国外言论，我国直接正面应对美国最新出台的半导体出口新规，迅速给予强势回应。

国家多个部门于4月27日联合发布《网络安全审查办法》，并于今年6月1日起正式实施，将对所有来自美国的电子产品进行严格审查，包括微软、谷歌、思科、苹果、高通在内的通讯、电力、互联网公司。

《网络安全审查办法》的落地将会加大国外产品进入国内关键信息基础设施领域的难度，国产替代进程将会进一步加速，意味着相比较2018年贸易战之初，当前我国半导体行业的技术水平已经提高了不少。

第三，A股近七成半导体公司一季报实现正常增长（超过了医药、消费行业），龙头公司的业绩不仅未受疫情影响，而且大幅超出了市场的预期。

韦尔股份：一季度净利润4.45亿元，同比增长800%，公司海外收入占比75%，是全球第三大CIS厂商，CIS产品线丰富。

华天 科技 ：一季度净利润0.63亿元，同比增长276%，公司海外收入占比59%，是封测龙头之一，产能位居内资专业封装企业的第三位，二季度订单爆满。

卓胜微：一季度净利润1.52亿元，同比增长263%，公司海外收入占比72%，是射频龙头，高通芯片供应商，新增4家本土制造和封测厂。

紫光国微：一季度净利润1.9亿元，同比增长183%，公司海外收入占比19%，聚焦逻辑芯片主业，是国内稀缺的高端FPGA+特种IC领军企业。

南大光电：一季度净利润0.35亿元，同比增长123%，公司海外收入占比14%，是光刻胶领域龙头之一。

圣邦股份：一季度净利润0.3亿元，同比增长91%，公司基本上没有海外收入，产品单价与毛利率双双提升，受益国产替代浪潮。

江丰电子 ：一季度净利润 0.17亿元，同比增长56%，公司海外收入占比71%（逐步降低），是国内溅射靶材龙头，进口替代空间巨大，十分受益于国产替代。

中颖电子 ：一季度净利润0.42亿元，同比增长30%，公司海外收入占比29%，是国产家电MCU主控芯片的领军企业，受益于国产替代份额明显提升。

以上分析是板块可能爆发的短期逻辑，实际上，半导体产业具备很强的长期逻辑。

一是，5G的建设及应用会给半导体行业带来巨大的增量。

5G通信网络需搭建基站，设备发射信号，需要大量的半导体。以5G为基础衍生的大数据，智慧城市，云计算，医疗IT化，政务IT化，无人驾驶等时髦的应用要在计算机等终端上跑起来，需要更多的半导体部件。

二是，国产替代空间非常大。

根据2019年的统计数据，我国半导体的自给自足率只有10%-15%。贸易战开始之后，这些订单就开始向欧洲、日韩转移，更多的是国内企业转移。以前的国产比例只有10%-15%，现在如果要达到30%，就是翻倍的需求。

今年受疫情的影响，全球半导体行业开始重塑，短期内欧洲企业很难开工，日韩也有部分产能受到严重影响，国产替代反而迎来了加速发展的机会。

综合看来，半导体板块具备长短期逻辑，很可能是接下来可 *** 作的方向之一。

现阶段参与半导体公司可以从以下三个维度选取标的。

一是，公司的技术或者产品属于国内第一梯队，营业收入的绝大部分来自国内；

二是，一季报业绩增速良好（最好高于行业平均水平），并且预期中报业绩可以持续高增长；

三是，前期股性好，受到过资金的热烈追捧，且技术上阶段筑底牢固。

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