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美國東北大學劉詠民課題組Advanced Optical Materials: 基于金屬石墨烯復合超表面的近紅外反射光調制

2022-03-24 16:07:17 作者：石墨烯聯盟來源：石墨烯聯盟分享至：

摘要：美國東北大學工程學院劉詠民課題組將金屬納米結構與石墨烯結合，制備出復合超表面。通過改變電壓大小，其能有效調節波長在2.5微米左右的近紅外反射光的強度。

關鍵詞：石墨烯，近紅外，二維材料，光電調制器，美國東北大學，超表面

　　石墨烯作為一種光學性能可以調節的二維材料，已被廣泛應用于可調超表面的研究中。當前基于石墨烯的超表面，其可調波段被限制在中紅外和太赫茲光譜。在此項工作中，通過將石墨烯和金納米結構相結合，劉教授的團隊展示了工作波長在2.5微米左右的近紅外可調超表面。該器件利用了石墨烯帶間躍遷的特性，具有較高的調節效率，對石墨烯載流子遷移率的依賴度小，和較低的調節電壓。實驗結果較好地吻合仿真結果。此項工作還展示了通過合理設計金納米結構的尺寸，石墨烯復合超表面可以同時實現近紅外和中紅外的調制。

　　此項工作中的器件采用了金納米共振體-絕緣體-金襯底的結構設計，可以有效地將入射光集中在金納米共振體之間小于60納米的間隙中。局域增強的光與金納米共振體下方的石墨烯相互作用。由于在近紅外波段，石墨烯的調制作用來源于其帶間躍遷，反射光的幅值呈現出明顯的‘臺階’變化，但是反射譜的諧振波長變化較小。反射光的幅值和諧振波長變化的特性符合石墨烯的電導率變化的特性，同時石墨烯載流子遷移率的大小對反射光的變化影響不大。實驗中，在不同電壓下（-15伏到+15伏），器件反射光幅值和諧振波長的變化趨勢均符合仿真結果，證明了理論的正確性。因為加工過程在石墨烯表面產生了較多的光刻膠殘留，金納米結構沒有與石墨烯充分接觸，使得目前實驗中測得的光調制效率為17%左右，其與仿真中得到的66%的光調制效率相比還有進一步提升的空間。劉教授的團隊還展示了另一個設計能同時具有近紅外和中紅外可調的功能。實驗中通過改變入射光的偏振方向，分別于2.3微米和5.67微米測到了18.2%和24.7%的光調制效率。

　　研究者相信，此項研究將會拓寬基于石墨烯的可調超表面的應用前景。相關論文在線發表在Advanced Optical Materials上。

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