美国东北大学刘咏民课题组Advanced Optical Materials: 基于金属石墨烯复合超表面的近红外反射光调制

摘要：美国东北大学工程学院刘咏民课题组将金属纳米结构与石墨烯结合，制备出复合超表面。通过改变电压大小，其能有效调节波长在2.5微米左右的近红外反射光的强度。

关键词：石墨烯, 近红外, 二维材料, 光电调制器, 美国东北大学, 超表面

石墨烯作为一种光学性能可以调节的二维材料，已被广泛应用于可调超表面的研究中。当前基于石墨烯的超表面，其可调波段被限制在中红外和太赫兹光谱。在此项工作中，通过将石墨烯和金纳米结构相结合，刘教授的团队展示了工作波长在2.5微米左右的近红外可调超表面。该器件利用了石墨烯带间跃迁的特性，具有较高的调节效率，对石墨烯载流子迁移率的依赖度小，和较低的调节电压。实验结果较好地吻合仿真结果。此项工作还展示了通过合理设计金纳米结构的尺寸，石墨烯复合超表面可以同时实现近红外和中红外的调制。

　　此项工作中的器件采用了金纳米共振体-绝缘体-金衬底的结构设计，可以有效地将入射光集中在金纳米共振体之间小于60纳米的间隙中。局域增强的光与金纳米共振体下方的石墨烯相互作用。由于在近红外波段，石墨烯的调制作用来源于其带间跃迁，反射光的幅值呈现出明显的‘台阶’变化，但是反射谱的谐振波长变化较小。反射光的幅值和谐振波长变化的特性符合石墨烯的电导率变化的特性，同时石墨烯载流子迁移率的大小对反射光的变化影响不大。实验中，在不同电压下（-15伏到+15伏），器件反射光幅值和谐振波长的变化趋势均符合仿真结果，证明了理论的正确性。因为加工过程在石墨烯表面产生了较多的光刻胶残留，金纳米结构没有与石墨烯充分接触，使得目前实验中测得的光调制效率为17%左右，其与仿真中得到的66%的光调制效率相比还有进一步提升的空间。刘教授的团队还展示了另一个设计能同时具有近红外和中红外可调的功能。实验中通过改变入射光的偏振方向，分别于2.3微米和5.67微米测到了18.2%和24.7%的光调制效率。

　　研究者相信，此项研究将会拓宽基于石墨烯的可调超表面的应用前景。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials上。

WILEY

论文信息：

Near-Infrared Reflection Modulation through Electrical Tuning of Hybrid Graphene Metasurfaces

Ziqiang Cai, Yongmin Liu*

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202102135

信息来源：公众号【AdvancedScienceNews】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。