中國粉體網(wǎng)訊 等離激元是極化激元的一種，是由入射光激發(fā)的沿材料表面?zhèn)鞑サ墓庾雍碗娮踊旌现C振的電磁模式，也是納米光子學(xué)材料中存在的獨(dú)特的物理現(xiàn)象。它能夠突破衍射極限，從而有望實(shí)現(xiàn)納米級片內(nèi)互聯(lián)。與傳統(tǒng)的金、銀等金屬材料相比，新型二維材料石墨烯具有單原子層的厚度、狄拉克電子特性和高載流子遷移率的特點(diǎn)，其支持的等離激元具有更高的波長壓縮比和靜電可調(diào)的優(yōu)勢，因而成為近年來的研究熱點(diǎn)。2011年首次實(shí)驗(yàn)觀測以來，石墨烯等離激元已在納米波導(dǎo)、電調(diào)激光器和分子傳感器等方向展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。
然而，石墨烯二維材料的特性使其對周圍的介質(zhì)環(huán)境異常敏感，諸多因素使其傳輸性能受到影響，阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用于光電集成器件。研究表明，除了自身的熱聲子散射以外，基底的雜質(zhì)、聚集電荷散射，聲子散射，以及介電環(huán)境的極化均對石墨烯等離激元產(chǎn)生損耗，降低其品質(zhì)因子和傳輸距離。如何突破介電環(huán)境對等離激元的性能的限制，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、長傳輸?shù)氖┑入x激元性能，已成為石墨烯等離激元邁向功能化應(yīng)用發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵問題。
圖1.文獻(xiàn)報(bào)道的不同介質(zhì)基底與本工作的懸空結(jié)構(gòu)上石墨烯等離激元傳輸距離的對比
近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員戴慶團(tuán)隊(duì)、西班牙光子科學(xué)研究所（ICFO）教授Javier García de Abajo、美國紐約州立大學(xué)石溪分校教授劉夢昆、芬蘭阿爾托大學(xué)教授孫志培、中科院物理研究所研究員陳佳寧與西班牙奧維耶多大學(xué)教授Pablo Alonso-González等合作，進(jìn)一步在懸空石墨烯結(jié)構(gòu)獲得高質(zhì)量的本征等離激元，解決了基底引入的額外損耗和限制調(diào)控等問題。
研究發(fā)現(xiàn)，懸空石墨烯提供了純凈的等離激元環(huán)境，其品質(zhì)因子高達(dá)33，對應(yīng)的傳輸距離超過3 μm。這是室溫下目前報(bào)道的石墨烯等離激元具有的最高傳輸性能記錄，對比同等條件下氧化硅基底上的石墨烯等離激元性能提升一個(gè)數(shù)量級以上。此外，該工作發(fā)現(xiàn)懸空高度可作為新型等離激元原位調(diào)制手段，可顯著調(diào)節(jié)等離激元波長、傳輸距離和群/相速度等性能�？蒲袌F(tuán)隊(duì)利用這種調(diào)控優(yōu)勢，開發(fā)出一種新型等離激元開關(guān)器件，其電磁能流開關(guān)比高達(dá)14。得益于石墨烯的電學(xué)可調(diào)性質(zhì)，這種新型等離激元開關(guān)可以通過柵極電壓調(diào)控。懸空石墨烯等離激元兼具長傳輸距離、高可調(diào)諧性和可控的能量傳輸?shù)膬?yōu)異性能，這為其將來在信息光子器件中的諸多應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
圖2.a、直徑15微米懸空石墨烯的原子力顯微鏡成像的高度圖，左上角插圖是對應(yīng)光學(xué)顯微鏡照片；b、圓形孔上懸空石墨烯的近場光學(xué)成像圖，同心波紋反映了傳輸?shù)牡入x激元電場振幅信息
懸空結(jié)構(gòu)也為探索其他范德華材料支持的極化激元提供了新平臺(tái)，如聲子極化波、激子極化波和磁極化波等。探究懸空二維材料豐富極化激元的基本性質(zhì)和使用性能的調(diào)控規(guī)律，能夠避免基底的各種散射和極化影響，從而保持其本征的物理性質(zhì)和高品質(zhì)的傳輸性能，并為將來構(gòu)筑新型納米光子學(xué)器件提供新的思路和選擇。
圖3.a、懸空石墨烯等離激元能流開關(guān)器件的示意圖，b、不同氣體壓力下原位調(diào)控石墨烯的懸空高度，c、不同懸空高度下等離激元的傳輸電場分布，d、等離激元通過懸空界面的能流開關(guān)比
相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》（Nature communications）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、中科院人才項(xiàng)目及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)請告知?jiǎng)h除！
