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石墨烯攻佔遠紅外波段

只有一層原子厚的石墨烯(graphene)能吸收超過 2% 的可見光,已經夠令人意外,最近美國科學家還有更驚人的發現─石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。這項發現開啟了石墨烯在透明兆赫光電子學、兆赫頻率與紅外光波段的超穎材料、隱形斗蓬(cloaking)以及轉換光學(transformation optics)的應用契機。

研究發現,石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。圖片來源:維基百科(http://0rz.tw/PcQ7n)

石墨烯是單原子厚的二維碳材料。自 2004 年問世後,此『神奇材料』持續以其獨特的電子和機械性質驚豔科學界。有人認為石墨烯未來將取代矽成為電子產業的新寵,原因是電子在石墨烯內的行為類似無靜止質量的迪拉克(Dirac)粒子,能以極高速度運動。迪拉克電子也讓石墨烯具有非常寬的光吸收頻譜,範圍從可見光到紅外光,遠比 III-V 族半導體來得寬,因此石墨烯也是光電應用的理想材料。

紅外光波段的電磁波在光通訊上頗為重要,兆赫波則可應用於生物造影、材料分析以及安檢系統。,因此了解石墨烯在這些波段的特性,對於發展應用在些波段的石墨烯光電元件為極重要。由 Phaedon Avouris 領軍的 IBM 研究團隊最近發現,石墨烯在遠紅外光和微波波段的吸收率高達 40%。

該團隊先前已研究過石墨烯的紅外光輻射,他們測量了溫度分佈、載子密度與迪拉克點(Dirac point)的位置。迪拉克點為石墨烯能帶結構內的電荷中性(charge neutrality)點,也就是線性價帶與線性導帶的交點,由於未摻雜石墨烯的費米能階(Fermi level)與迪拉克點重疊,故此點位置對石墨烯性質有決定性的影響。

最近,此團隊進一步利用紅外光譜儀來研究少層晶圓級磊晶石墨烯與化學氣相沉積法(CVD)製作的單層石墨烯。由於載子在遠紅外波段的吸收能力與石墨烯的光導率(optical conductivity)成正比,研究人員得以確定樣本的電阻。此外,他們也透過光導率的頻率關係,計算出自由載子在傳輸時的散射率。

該團隊目前正著手改良 CVD 石墨烯的摻雜品質,並試圖得到更高的遠紅外光吸收效率。他們同時也計畫以石墨烯製作透明兆赫元件。詳見 ACS Nano|DOI: 10.1021/nn203506n。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Graphene absorbs infrared light—nanotechweb.org

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2011-12-16]

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