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美國(guó)東北大學(xué)劉詠民課題組Advanced Optical Materials: 基于金屬石墨烯復(fù)合超表面的近紅外反射光調(diào)制

2022-03-24 16:07:17 作者：石墨烯聯(lián)盟來(lái)源：石墨烯聯(lián)盟分享至：

摘要：美國(guó)東北大學(xué)工程學(xué)院劉詠民課題組將金屬納米結(jié)構(gòu)與石墨烯結(jié)合，制備出復(fù)合超表面。通過(guò)改變電壓大小，其能有效調(diào)節(jié)波長(zhǎng)在2.5微米左右的近紅外反射光的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：石墨烯，近紅外，二維材料，光電調(diào)制器，美國(guó)東北大學(xué)，超表面

　　石墨烯作為一種光學(xué)性能可以調(diào)節(jié)的二維材料，已被廣泛應(yīng)用于可調(diào)超表面的研究中。當(dāng)前基于石墨烯的超表面，其可調(diào)波段被限制在中紅外和太赫茲光譜。在此項(xiàng)工作中，通過(guò)將石墨烯和金納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，劉教授的團(tuán)隊(duì)展示了工作波長(zhǎng)在2.5微米左右的近紅外可調(diào)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(diào)節(jié)效率，對(duì)石墨烯載流子遷移率的依賴度小，和較低的調(diào)節(jié)電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地吻合仿真結(jié)果。此項(xiàng)工作還展示了通過(guò)合理設(shè)計(jì)金納米結(jié)構(gòu)的尺寸，石墨烯復(fù)合超表面可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)近紅外和中紅外的調(diào)制。

　　此項(xiàng)工作中的器件采用了金納米共振體-絕緣體-金襯底的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(qiáng)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(diào)制作用來(lái)源于其帶間躍遷，反射光的幅值呈現(xiàn)出明顯的‘臺(tái)階’變化，但是反射譜的諧振波長(zhǎng)變化較小。反射光的幅值和諧振波長(zhǎng)變化的特性符合石墨烯的電導(dǎo)率變化的特性，同時(shí)石墨烯載流子遷移率的大小對(duì)反射光的變化影響不大。實(shí)驗(yàn)中，在不同電壓下（-15伏到+15伏），器件反射光幅值和諧振波長(zhǎng)的變化趨勢(shì)均符合仿真結(jié)果，證明了理論的正確性。因?yàn)榧庸み^(guò)程在石墨烯表面產(chǎn)生了較多的光刻膠殘留，金納米結(jié)構(gòu)沒(méi)有與石墨烯充分接觸，使得目前實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的光調(diào)制效率為17%左右，其與仿真中得到的66%的光調(diào)制效率相比還有進(jìn)一步提升的空間。劉教授的團(tuán)隊(duì)還展示了另一個(gè)設(shè)計(jì)能同時(shí)具有近紅外和中紅外可調(diào)的功能。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變?nèi)肷涔獾钠穹较颍謩e于2.3微米和5.67微米測(cè)到了18.2%和24.7%的光調(diào)制效率。

　　研究者相信，此項(xiàng)研究將會(huì)拓寬基于石墨烯的可調(diào)超表面的應(yīng)用前景。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Optical Materials上。

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