美日科学家为特殊近红外器件打造新型碳纳米管研究平台

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图为在莱斯大学的实验中，一片玻璃上呈灰色的规则排列碳纳米管晶圆（透过玻璃看到的猫头鹰标志为莱斯大学校徽），促成了新型量子效应（图片来源：Jeff Fitlow）

据麦姆斯咨询报道，美国莱斯大学（Rice University）和日本东京都立大学（Tokyo Metropolitan University）的科学家在碳纳米管薄膜中观测到一种新型量子效应，该量子效应可能有助于独特激光器和其它光电器件的研发。

“Rice－Tokyo”研究团队报告称，通过利用单壁碳纳米管作为等离子体量子限域场（plasmonic quantum confinement fields），在量子尺度下操控光的能力取得重要进展。

该现象是在物理学家Junichiro Kono 的美国莱斯大学实验室中发现的，这可能成为开发纳米级近红外激光器等光电器件的关键技术，纳米级近红外激光器发射连续光束的波长太短，以目前的技术水平还无法实现。

《Nature Communications》刊登了这项新研究的详细介绍。

Kono团队发现了这种“可在晶圆尺寸薄膜中实现碳纳米管非常紧密的规则排列”的方法，这种薄膜–能够实现那些在单根或缠结的纳米管聚合体难以实现的实验，这吸引了东京都立大学物理学家Kazuhiro Yanagi的关注，Yanagi专攻方向是纳米材料中的凝聚物理学。于是双方开始了联合研究。

Kono关于此次合作项目介绍说：“这次研究中，Yanagi提供了‘门控技术（gating technique）’（该技术可控制纳米管薄膜中电子的密度），我们提供了碳纳米管对准技术。这是我们首次制造出带‘门控栅极（gate）’的如此大面积规则排列的碳纳米管薄膜，使我们实现了注入并取出大量的自由电子。”

Yanagi补充说道：“门控技术虽然非常有用，但是我之前使用的薄膜中的碳纳米管是随机排列的。这种情况是非常令人沮丧的，因为我无法准确地知晓这类薄膜中纳米管的一维特性，而这其实非常重要。由Kono团队提供的薄膜是非常令人惊叹的，因为这些薄膜终于可以帮我解决这个难题。”

这两个团队将技术结合，实现了“将电子注入只有1纳米宽的纳米管中，然后用偏振光激发它们”的难题。碳纳米管的宽度捕获了量子阱中的电子，其中原子和亚原子粒子的能量被“限制”在某状态或次能带。然后偏振光使它们在管壁间迅速振荡。Kono认为：“只要有足够的电子，它们就可以充当等离子体。”

Kono说：“等离子体是一种在限制结构中的集体电荷振荡。对于一块平板、一片薄膜、一条丝带、一个粒子或球体，如果你扰乱这些系统（通常使用光束），这些自由载体会以某个特征频率集体运动。”而这种效应是由电子的数量和物体的大小和形状共同决定的。

在美国莱斯大学的实验中，由于纳米管非常薄，以至于量子次能带间的能量几乎与等离子体的能量相当。Kono认为：“这就是等离子体激元的量子机制，其中子带间过渡被称为带间等离子体激元（intersubband plasmon，ISP）。研究者已在超远红外波长范围内的人造半导体量子阱中研究过该现象，但此次研究是首次在低维材料自然发生的状态下、且波长如此短的情况下观察到该现象。”

在等离子体激元响应中检测到这种非常复杂的“栅极电压（gate voltage）依赖”是一个惊喜，与其在金属和半导体单壁纳米管中的现象一样。Kono认为：“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，这个公式非常简单。只有纳米管的直径是其中的决定性变量。”

研究人员认为，该现象可能会促进通信学、光谱学和成像学、以及高度可调的近红外量子级联激光器等技术的进步。

Kono团队是利用规则排列纳米管进行器件研发的先锋团队。该研究的合著者、Kono团队的博士后研究员Weilu Gao认为，传统半导体激光器依赖于激光材料的带隙宽度，但量子级联激光器却不是这样。Weilu Gao说：“量子级联激光器的波长是独立于带隙的。我们的激光就属于此类。我们仅通过改变纳米管的直径，就可以调谐等离子体激元共振能量，完全不用考虑带隙的问题。”

Kono还预测，这种栅极的、规则排列的纳米管薄膜将使物理学家有机会研究Luttinger液体，一维导体中相互作用的电子理论。

Kono认为：“一维金属预测与二维和三维金属有很大的不同，碳纳米管是观察Luttinger液体行为的最佳候选方法之一。单纳米管研究是相当困难的，但我们建立了一个宏观的一维系统。通过掺杂或门控，就可以调整费米能量。我们甚至可以把一维半导体转化成一维金属。因此，这是研究此类物理现象的理想系统。”

东京都立大学凝聚物理学教授Yanagi是该论文的第一作者。论文的合著者还包括：东京都立大学的研究生Ryotaro Okada和Yota Ichinose、该专业助理教授Yohei Yomogida、以及莱斯大学的研究生Fumiya Katsutani。Kono是电子和计算机工程／物理和天文学／材料科学和纳米工程的教授。

该研究由日本学术振兴会科研补助金（KAKENHI）、日本科学技术发展推进核心项目、山田科学基金会与美国能源部的基础能源科学项目、美国国家科学基金会与罗伯特·韦尔奇基金会共同资助。