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石墨烯为下一代表面等离激元铺平道路

2018/4/26    来源:互联网    作者:DEXTER JOHNSON      
关键字:石墨烯  表面等离激元  仿真  
仿真工具将二维材料中的复杂物理场与表面等离激元结合在一起,带来了光电设备的变革。

    2004年,人们首次成功合成了单原子层厚的石墨薄膜,并将其命名为石墨烯。十几年过去了,现在,石墨烯已被广泛用于光伏、下一代电池和电子器件等产品中。

    石墨烯拥有许多优秀属性,比如电导率和导热系数。起初,人们只是将它用于电子器件,却忽略了它同样优秀的光电性能。很快人们就发现,石墨烯作为透明导体电极同样拥有惊人的潜力,可以代替常用的铟锡氧化物(ITO)。除了结构强度与灵活性,石墨烯还提供了能与ITO相媲美甚至更优秀的光电性能。它还可以用于其他各种应用,例如触摸屏和光伏中的透明导体(见图1)、用于探测病毒或蛋白质的芯片设备、改进型夜视仪、中红外成像应用以及太阳能电池。

可弯曲、更轻薄的智能手机与笔记本电脑的屏幕

图1 可弯曲、更轻薄的智能手机与笔记本电脑的屏幕

    这仅是石墨烯诸多应用中的一个示例;它还能用于能源、计算、工程以及健康技术与设备等领域。

石墨烯与表面等离激元

    除光电元件外,当人们将石墨烯用于表面等离激元这一光子学分支领域时,它更是大放光芒;近年来,由于人们对更小尺度光学应用及其特性的不断探索,表面等离激元行业发展迅猛。

    传统上,光子一直用于处理微米尺度结构,由于光的衍射极限特性,将光挤进更小尺度的难度很高。表面等离激元帮助解决了这一难题,甚至支持将光约束在纳米尺度内。

    这种方法将入射光耦合到名为等离激元的电子振荡,这也是表面等离激元名称的由来。今天,表面等离激元已经成为光子学中一个正积极发展的重要分支,主要用于处理等离激元的有效激励、控制与使用。

石墨烯实现了表面等离激元在实际设备中的应用

    在普渡大学(Purdue University)的Birck纳米技术中心的电气和计算机工程学院,Alexander V.Kildishev副教授带领下的计算纳米光子学研究工作一直处于领先水平,他们在研究中结合了石墨烯与表面等离激元,使其更接近实际光电应用。

    Kildishev和他的同事们在石墨烯研究中遇到了一个基本问题:现在很难生产高质量的大面积石墨烯薄膜。在石墨烯的生产工艺改进之前,Kildishev和他的团队只能借助仿真工具来设计和优化石墨烯器件。

    利用仿真和实验测试,Kildishev和他的同事们验证了纳米天线阵列中等离子体共振的可调谐石墨烯的辅助阻尼,这对于设计中红外波段可调谐光子元件非常重要。许多分子的基本振动共振会驻留在中红外波段,因此,对于传感和成像领域的应用而言,能开发出可以在此波段工作的可调谐表面等离激元器件至关重要。

    另一方面,波长更短的红外(IR)波段对电信和光学处理也非常重要,比如电信波段。普渡大学的研究团队已经证实,在近红外波长,可以对石墨烯-金属表面等离激元复合结构中的法诺共振进行有效地动态控制。法诺共振常见于经特定耦合的共振光学系统的传输中,研究人员正将法诺共振的属性应用于滤光器、传感和调节器(见图2)。

在单层石墨烯板上设计的法诺共振表面等离激元天线

图2 在单层石墨烯板上设计的法诺共振表面等离激元天线

    利用COMSOL软件及波动光学模块进行优化,希望在2μm的波长实现共振。实验使用离子凝胶顶部电解质门控成功验证了设计的可调谐性。

    Kildishev认为,在设计下一代表面等离激元和复合纳米光子芯片器件中的可调谐单元时,比如设计传感器和光电探测器,COMSOL Multiphysics®软件模型的预测功能是其中的重要环节。在多色夜视和热成像中,将最终能够使用光电探测器来感应红外电磁辐射。另一项可能的应用是生物传感,表面等离激元单元的共振线被调谐到和病毒或蛋白质的光谱响应相匹配的谐振频率。

    在普渡大学研究人员的研究中,他们将石墨烯的特有属性与表面等离激元纳米天线相结合,用于调制天线的光学属性。就像电路中的晶体管一样,光路中的可调谐共振单元对光电元件也非常重要。

    “结合纳米图案石墨烯与电子门控(见图3),我们能够模拟空间中带有非平行空间解析度的光通量。”Kildishev之前的博士生Naresh Emani博士介绍说,后者现就职于新加坡DSI研究院,“石墨烯表面等离激元单元中的降维与半金属行为,为我们提供了许多重要的属性,其中最关键的一项便是电可调谐性。这个关键功能在常规金属表面等离激元中是无法实现的。”

用于研究石墨烯纳米带(GNRs)中等离子共振实验装置的3D效果图

图3 用于研究石墨烯纳米带(GNRs)中等离子共振实验装置的3D效果图

    在COMSOL Multiphysics软件中使用表面电流方法模拟。GNRs晶格取向为非等比例绘图,仅作展示目的。

    基于贵金属的表面等离激元器件往往不具备这种对电可调谐性的控制水平。贵金属导带中包含大量的电子,因此不能方便地调制金属的电导率。但石墨烯是一种可调谐半金属,在原始状态下,导带中不包含任何电子。因此,可以对它的电子浓度进行化学调制,电调制,甚至光学调制,进而调制它的电导率。

责任编辑:程玥
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