导 读
澳大利亚斯威本科技大学微光子学中心贾宝华教授课题组与悉尼大学Martijn de Sterke教授课题组合作，利用石墨烯超材料技术配合飞秒激光加工技术首次成功制备出超薄（深亚波长厚度）超宽带，偏振不敏感的高吸收材料，并制作了大面积样品展示了其在太阳能光热转换中的优异性能。相关成果近期以“90nm-thick graphene metamaterial for strong extremely broadband absorption of unpolarized light”为题，发表在Nature Photonics（doi: https://doi.org/10.1038/s41566-019-0389-3）上。
光学强吸收体是一种重要的光学材料，具有广泛应用。理想的光学吸收体是一种类似于黑体的材料，其特性是能在宽光波长带宽中吸收各种角度和偏振入射的光波能量。这种强吸收体有着广泛的用途，如太阳能光热能量转换，海水淡化等，并可作为热发射源，光调制器，探测器等光电器件。
吸收体按照厚度和工作原理可分为两种：厚吸收材料主要基于非相干吸收原理。比如碳纳米管阵列或等离子体纳米复合材料，使用随机分布和取向的纳米粒子来实现强吸收。然而，它们的厚度很大（10微米-100微米）会影响设备集成并降低器件性能。另一种是薄膜吸收体材料，基于相干吸收原理。其优势是易于集成。现有的薄膜吸收体材料包括金属等离子体超材料，介电材料光栅，二维材料吸收体和双曲线超材料纳米颗粒组成的分层结构材料。虽然其中一些薄膜吸收体材料实现了宽带，偏振无关的吸收性能，但大多数薄膜吸收体只能通过使用复杂的结构设计实现单偏振态或窄带吸收，而且结构的加工需要用到复杂的纳米加工技术。这极大的限制了薄膜吸收体材料的实际应用，例如光热能量收集和热光伏电池等。因此设计和制作高性能的薄膜吸收体材料还面临巨大的挑战。
本研究中斯威本科技大学的研究团队与悉尼大学合作设计和制作出一种基于石墨烯的超材料光栅结构的高吸收超薄材料，如图一所示。这种材料实现了偏振无关的覆盖太阳全光谱的超宽带宽（300-2500nm），深亚波长厚度（90nm）及大角度的覆盖范围，并且可以贴覆在柔性衬底上。这种吸收材料的超宽带宽是通过不同光吸收方式的无缝组合实现的：在长波长下，光栅的存在是无关紧要的，该吸收材料充当均匀的薄膜。在光谱的可见部分，光栅将多个衍射级次的光耦合到石墨烯超材料中，实现吸收。在中近红外（NIR）波长处，光栅激发波导模式使光沿超材料面内传输，实现吸收。这种石墨烯超材料是使用低成本可大面积生产的溶液法制作的。光栅的加工使用激光直写的方法制作。整个石墨烯超材料吸收体的制作可以实现低成本及规模化。
同时，研究团队展示了石墨烯超材料吸收体在太阳能光生热能领域的应用。研究结果显示由于石墨烯超材料吸收体超薄的特性，其在自然太阳光照射下温度可以迅速上升到160℃，明显高于目前最优的厚吸收体（升温到60℃）。因此，该材料将在光生热能领域有广泛应用。
斯威本科技大学为论文第一单位，斯威本科技大学林瀚博士为第一作者，通讯作者为贾宝华教授和Martijn de Sterke教授。该项研究工作得到了Australian Research Council的Discovery Project的支持。
图1. (a) 石墨烯超材料薄膜吸收体结构示意图。(b) 石墨烯超材料贴覆在柔性衬底上的照片。(c) 红外摄像机拍摄的太阳照射的石墨烯超材料吸收体薄膜的温度分布照片。
文章链接
https://doi.org/10.1038/s41566-019-0389-3
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