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IBM展示THz级的石墨烯光电元件

导读: 石墨烯由于可被制造成导体、半导体和绝缘体,因而一直被视为是未来的神奇材料。现在,IBM公司还为石墨烯开启在光电领域的崭新应用。

  石墨烯由于可被制造成导体、半导体和绝缘体,因而一直被视为是未来的神奇材料。现在,IBM公司还为石墨烯开启在光电领域的崭新应用──透过展示一种可为石墨烯带来光子特性的石墨烯/绝缘体超晶格,使其可实现达兆赫(terahertz;THz)级频率的陷波滤波器与线性偏光片等光学元件,有助于在未来扩展至中红外线和远红外线波段的光电设备,如探测器、调变器与 3D 超颖材料应用中。

  “除了具有良好的电气特性以外,石墨烯还具有特殊的光学性质。特别是它能吸收从远红外线到紫外线波段的光线,”IBM院士Phaedon Avouris表示。“IBM公司对于THz级频率范围特别感兴趣,因为这些频率范围具有安全应用中所需穿透纸张、木材及其他固体物体的性能。遗憾的是,目前仅能透过偏光和滤波作用等几种方式来操控THz级波段,但由于石墨烯能在THz级频率有效运作,我们正专注于开发出这一类的元件。”

  THz级频率振盪作用可由石墨烯透过等离子体进行传导,以实现低损耗的可调谐滤波器。根据IBM表示,由于单层石墨烯的载子浓度与共振频率不足,无法用于光电应用中;因此,透过采用多层的石墨烯/绝缘层超晶格,透明的元件可被图形化印制于光电晶体中,并在各层有效地散布载子,以强化载子浓度与共振频率。

  “我们发现石墨烯与电磁辐射的互动在THz级范围时特别强烈,但采用单层石墨烯时的互动仍然不足,”IBM T. J. Watson Research Lab奈米科学与技术部门研究员Hugen Yan表示,“透过采用微碟阵列中的多层堆叠结构,我们可在THz级范围内实现频率的可选择性,让我们能够调整所需的共振频率。”

  扫描电子显微镜影像:直径2um微碟(紫色)的5层石墨烯/绝缘体超晶格阵列

  扫描电子显微镜影像:直径2um微碟(紫色)的5层石墨烯/绝缘体超晶格阵列

  透过石墨烯/绝缘体微碟图案阵列,IBM发现可经由使用各种不同的微碟尺寸、层数、间距以及掺杂石墨烯层,以调整出所需的共振频率。经过多次分析,IBM并发现,相较于传统的半导体超晶格,石墨烯/绝缘体超晶格可根据管理迪拉克费米子(Dirac fermions,如夸克、轻子、重子与强子)的原则,使其具有一种独特的载子密度微缩规律。

  因此,IBM公司已经能够证明图形化石墨烯/绝缘体堆叠能够建置一种具有8.2dB抑制比的广泛可调谐陷波滤波器,以及具有9.5dB穿透率消光比的THz级线性偏光片。此外,IBM公司还展示这种石墨烯/绝缘体超晶格能够在低于1.2THz的频率范围内避开97.5%的电磁辐射。

  未来,该研究小组并计划调整其石墨烯/绝缘体超晶格,进一步瞄准当今光通讯设备所用的红外线频率。

  编译:Susan Hong

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