近日，上海交通大學史志文教授課題組與合作者在納米科學權威期刊《Nano Letters》上發(fā)表了題為“Field-Effect Plasmonic Transistors Based on Metallic?Semiconducting Carbon Nanotube Junctions”的最新研究成果，首次構建了碳納米管等離激元場效應晶體管器件。

場效應晶體管是現(xiàn)代集成電路中的基本組成單元。隨著經濟社會的快速發(fā)展，人們對晶體管的運算頻率和集成度提出了更高的要求，而傳統(tǒng)以電荷流為載體的場效應晶體管器件逐漸無法滿足人們對高信息處理速度的需要。光子器件因其超高的帶寬和工作頻率，在信息處理速度上具有無可比擬的優(yōu)勢。然而，受光學衍射極限的限制，傳統(tǒng)光子器件的集成度遠低于電子器件。等離激元是光子和電子相互作用形成的一種準粒子。理論上，等離激元器件可以同時具備電子器件的小型化和光子器件的高信息處理速度雙重優(yōu)勢。特別是在低維材料中，等離激元同時具有寬頻響應、高體積壓縮比、低損耗等多重特性，是制造高速小型化納米光子器件的理想材料。

鑒于此，上海交通大學史志文教授課題組創(chuàng)造性地開發(fā)出一種全新的、基于碳納米管異質結的等離激元場效應晶體管（Field-effect plasmonic transistor）器件，該器件通道中傳輸?shù)氖蔷哂谐吖ぷ黝l率的等離激元，同時尺寸僅為納米量級，有望成為未來小型化納米光子芯片的基本構成單元。

研究人員首先制備出金屬/半導體性碳納米管分子內異質結，并將該結構加工成等離激元場效應晶體管器件。當外加柵極電壓為零時，由于半導體性碳管一側缺乏足夠的載流子，無法支持等離激元的傳播，金屬側碳管中的等離激元在傳播到異質結處被反射回去，等離激元晶體管處于“關態(tài)”；通過調節(jié)外加柵壓，半導體側碳管也能轉變?yōu)橹С值入x激元模式，從而使等離激元能夠在整個碳納米管通路上傳輸，等離激元晶體管處于 “開態(tài)”。

圖一：基于碳納米管異質結的等離激元場效應晶體管示意圖（a，b）和近場光學圖像（c，d）。其中（a，c）為等離激元晶體管器件的關態(tài)，（b，d）為晶體管器件的開態(tài)

進一步，研究人員結合麥克斯韋方程和耦合模型，發(fā)展出一套解析計算方法，對一維等離激元在界面處的反射行為進行了精確求解，并同時運用有限時域差分法對其進行仿真模擬。二者的結果與實驗結果高度一致，均表明納米尺度的一維等離激元在異質結處的反射行為依然符合經典的菲涅爾公式。此外，等離激元的透射/反射率可以通過外加柵壓改變異質結兩側的波長匹配度來調控。這一成果為未來構建小型納米光子器件與光子芯片提供了新的設計思路和重要參考。

圖二：等離激元在碳納米管異質結處的反射/透射規(guī)律。（a）有限時域差分法模擬得到的等離激元反射/透射;（b）實驗、理論和仿真結果均表明一維等離激在碳管異質結處的反射行為符合經典的菲涅爾公式

上海交通大學物理與天文學院博士生謝宇烽為論文的第一作者，上海交通大學史志文教授和韓國國立公州大學的Ji-Hun Kang教授為共同通訊作者。論文作者還包括上海交通大學徐琨淇博士、吳正瀚、胡成博士、馬賽群、周先亮、張智淳、沈沛約、陳一、張誠嘉、王立果、梁齊教授、日本國立材料研究所Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授等。本工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的資助，對此深表感謝。論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00221 作者： 葉丹 供稿單位： 物理與天文學院