近日，威廉希尔体育官网史志文教授课题组与合作者在纳米科学权威期刊《Nano Letters》上发表了题为“Field-Effect Plasmonic Transistors Based on Metallic−Semiconducting Carbon Nanotube Junctions”的最新研究成果，首次构建了碳纳米管等离激元场效应晶体管器件。

场效应晶体管是现代集成电路中的基本组成单元。随着经济社会的快速发展，人们对晶体管的运算频率和集成度提出了更高的要求，而传统以电荷流为载体的场效应晶体管器件逐渐无法满足人们对高信息处理速度的需要。光子器件因其超高的带宽和工作频率，在信息处理速度上具有无可比拟的优势。然而，受光学衍射极限的限制，传统光子器件的集成度远低于电子器件。等离激元是光子和电子相互作用形成的一种准粒子。理论上，等离激元器件可以同时具备电子器件的小型化和光子器件的高信息处理速度双重优势。特别是在低维材料中，等离激元同时具有宽频响应、高体积压缩比、低损耗等多重特性，是制造高速小型化纳米光子器件的理想材料。

鉴于此，威廉希尔体育官网史志文教授课题组创造性地开发出一种全新的、基于碳纳米管异质结的等离激元场效应晶体管（Field-effect plasmonic transistor）器件，该器件通道中传输的是具有超高工作频率的等离激元，同时尺寸仅为纳米量级，有望成为未来小型化纳米光子芯片的基本构成单元。

研究人员首先制备出金属/半导体性碳纳米管分子内异质结，并将该结构加工成等离激元场效应晶体管器件。当外加栅极电压为零时，由于半导体性碳管一侧缺乏足够的载流子，无法支持等离激元的传播，金属侧碳管中的等离激元在传播到异质结处被反射回去，等离激元晶体管处于“关态”；通过调节外加栅压，半导体侧碳管也能转变为支持等离激元模式，从而使等离激元能够在整个碳纳米管通路上传输，等离激元晶体管处于 “开态”。

图一：基于碳纳米管异质结的等离激元场效应晶体管示意图（a，b）和近场光学图像（c，d）。其中（a，c）为等离激元晶体管器件的关态，（b，d）为晶体管器件的开态。

进一步，研究人员结合麦克斯韦方程和耦合模型，发展出一套解析计算方法，对一维等离激元在界面处的反射行为进行了精确求解，并同时运用有限时域差分法对其进行仿真模拟。二者的结果与实验结果高度一致，均表明纳米尺度的一维等离激元在异质结处的反射行为依然符合经典的菲涅尔公式。此外，等离激元的透射/反射率可以通过外加栅压改变异质结两侧的波长匹配度来调控。这一成果为未来构建小型纳米光子器件与光子芯片提供了新的设计思路和重要参考。

图二：等离激元在碳纳米管异质结处的反射/透射规律。（a）有限时域差分法模拟得到的等离激元反射/透射;（b）实验、理论和仿真结果均表明一维等离激在碳管异质结处的反射行为符合经典的菲涅尔公式。

williamhill官网博士生谢宇烽为论文的第一作者，威廉希尔体育官网史志文教授和韩国国立公州大学的Ji-Hun Kang教授为共同通讯作者。论文作者还包括威廉希尔体育官网徐琨淇博士、吴正瀚、胡成博士、马赛群、周先亮、张智淳、沈沛约、陈一、张诚嘉、王立果、梁齐教授、日本国立材料研究所Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授等。本工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助，对此深表感谢。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00221