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添加石墨烯有助於奈米天線的調制

美國研究人員製作出第一個可藉由外加電壓調制性質的電漿子奈米天線(plasmonic nanoantenna)。此天線元件包含石墨烯(graphene),並且操作頻率位於中紅外光波段。該裝置可望應用於許多領域例如多分析物探測器、可更改組態之超穎表面(reconfigurable metasurface)以及光電設備等。

傳統天線是用來傳輸無線電波或電視訊號,如果把結構縮小至奈米等級,得到的奈米天線將可在光頻下工作。這些奈米天線具有「電漿子模」(plasmonic modes),能與周遭分子的光學躍遷產生共振,而正是此電漿子模增強了分子所發出之光與天線的耦合。不過,由於奈米天線本身相當微小,因此不像傳統電視及無線電天線那麼易於調制。

哈佛大學的Federico Capasso等人最近研發出一種含石墨烯的奈米天線,此元件操作於中紅外光波段,而且改變憑外加電壓即可調制天線的共振行為。石墨烯為具有六角晶格結構的平面碳材料,當外加閘極電壓時,石墨烯的載子(電子與電洞)濃度會因而改變,進而影響其導電率和光學常數。該研究團隊將石墨烯置入偶極天線(dipole antenna)的奈米空隙間,此時石墨烯的作用就類似可藉由電性操控的奈米電路元件,因此可用來控制天線的共振。團隊成員Yu Yao解釋,從光學的觀點來看,天線會將入射光線聚焦至一非常明亮的短波長級熱點上。這會導致強烈的光-石墨烯交互作用,因此使得研究人員能在一寬波長範圍上調制天線共振。

研究人員使用具有氧化矽薄膜作為絕緣層的矽晶圓來製作元件,然後將以化學氣相沉積法(CVD)產生的大面積石墨烯片,轉移至晶圓的氧化矽層上,最後直接在此碳膜上製作奈米天線的圖案。此裝置可望應用於諸多領域上,像是多分析物探測器、可重組態超穎表面以及光電元件等。事實上,此哈佛團隊已經使用此中紅外光波段奈米天線製作出寬頻高速光學調制器。

該團隊目前正積極探討不同的天線結構,以求進一步拓展其頻率調制範圍,他們同時也試圖利用這些元件打造超穎表面(metasurface, 由數以百計的奈米天線所構成的陣列)並研究其行為。詳見Nano Lett. | DOI: 10.1021/nl3047943

轉載自 奈米科學網 

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