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在美国能源部和美国国家科学基金会的赞助下，近日，来自美国莱斯大学的研究团队在晶圆尺寸的薄膜上实现了碳纳米管的紧密排列。该进展引起了东京都立大学（TMU）团队的关注，TMU的研究团队先前已经开发了一种能够控制纳米管薄膜中电子密度的门控技术。研究人员在定向碳纳米管中观察门控量子等离子体可为碳基近红外光电子器件的发展铺平道路，并使研究人员能够研究一维中相互作用电子的集体动态响应。 图为晶圆上碳纳米管高度对齐示意图 TMU研究团队的Kazuhiro Yanagi表示：“门控技术非常有趣，但纳米管在薄膜中的取向是随机的……我不能准确了解这类薄膜中纳米管的一维特征，然而这一特征却至关重要。” 向捕获量子阱中的电子，将电子限制在子带中，当电子被激发时，它们开始振荡并起到等离子体激元的作用。 美国莱斯大学的Junichiro Kono教授表示：“等离子体是密集结构中的集体电荷振荡。打个比方，如果你有一个盘子，一个薄膜，一个带子，一个粒子或一个球体，并且你扰乱了这个系统，这些自由体就会以一个特征频率集体移动。” 等离子体效应由电子的数量、物体的大小和形状决定。Junichiro Kono教授表示，由于纳米管非常薄，量子化子带之间的能量与等离子体激元能量相当。这是等离子体激元的量子体系，其中子带间跃迁被称为子带间等离子体激元。人们已经在远红外波长范围的人造半导体量子阱中进行了研究，但这是第一次对自然发生的低维材料和短波长范围内的研究。 研究小组惊讶地发现了等离子体激元响应中复杂的栅电压依赖性，并在金属和半导体单壁纳米管中检测到它。Kono表示：“通过研究光纳米管相互作用的基本理论，我们能够推导出共振能量的公式，令我们吃惊的是，公式非常简单，纳米管的直径是个关键参数。” 研究人员认为，该发现有望推动先进通信、光谱和成像设备以及高度可调的近红外量子级联激光器的进一步发展。与传统的半导体激光器相反，量子级联激光器不依赖于激光材料带隙的宽度。研究人员Weilu Gao表示：“我们的激光就属于这一类。通过改变纳米管的直径，我们能够调整等离子体的共振能量，而不用担心带隙问题。” Kono补充说：“一维金属的预测与二维和三维非常不同。研究单管很困难，但我们有一个宏观的一维系统。通过掺杂或门控，我们可以调整费米能量。我们甚至可以将一维半导体转换为一维金属。所以这是研究该物理现象的理想系统。” “Intersubband plasmons in the quantum limit in gated and aligned carbon nanotubes”Kazuhiro Yanag, Ryotaro Okada, Yota Ichinose, Yohei Yomogida, Fumiya Katsutani, Weilu Gao & Junichiro Kono. Nature Communicationsvolume 9, Article number: 1121 (2018) doi:10.1038/s41467-018-03381-y
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