Advanced Optical Materials: 基于金属石墨烯复合超表面的近红外反射光调制

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。