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可調式石墨烯裝置:首個使兆赫(THz)光線變有用的工具

 

長波長 terahertz(THz,兆赫)光不為人眼所見 — 那在遠紅外線最遙遠的那一端 — 不過,那對於在機場偵測爆裂物、設計藥物到診斷皮膚癌的每一件事都很有用。現在,美國能源部 LBNL(Berkeley Lab)以及加州大學柏克萊分校的科學家證明,一種以石墨烯 — 這種突出的碳形態只有一個原子厚 — 製成的微米級裝置,其對於頻率在 terahertz 之光線的強烈反應,能以精細的精確度調整之。

“我們裝置的核心是一個僅以幾百萬分之一公尺寬的石墨烯帶製成的陣列," 柏克萊實驗室材料科學部門的王楓(Feng Wang)表示,他也是 UC Berkeley 的物理學助教授,他領導這個研究團隊。"藉由改變石墨烯帶的「寬度」以及其中「電荷載體的濃度」,我們能控制電子在微米帶(microribbons)中的集體振盪(collective oscillations)。"

像這樣的電子集體振盪有個名字,叫做「電漿子(plasmons)」,一個聽起來頗抽象的名詞,不過描述的效應卻如同彩色玻璃窗中發出的明亮色彩般熟悉。

“在高頻可見光中的電漿子發生在三維金屬奈米結構中," 王楓表示。例如中世紀的彩色玻璃,起因於電子在金、銅以及其他金屬之奈米粒子的表面上集體振動所致,且與它們尺寸及形狀相依。"不過石墨烯只有一個原子厚,而其電子只能以二維方式移動。在 2D 系統中,電漿子發生在非常低的頻率上。"

Terahertz 輻射的波長經測量約幾百微米,然而在實驗裝置中每條石墨烯帶的寬度只有 1 到 4 微米。

“一種由尺寸遠小於相對波長的結構所組成,且其所展現的光線特性迥異於大塊材料的材料,稱為超材料(metamaterial)," 王楓說。"故我們不僅完成了光與電漿子在石墨烯中耦合的第一個研究,在 terahertz 範圍內,我們也創造出未來基於石墨烯之超材料的原型。"

該團隊在 Nature Nanotechnology 中報告他們的研究,那目前可由 AOP 取得。

如何推動電漿子

在二維石墨烯中,電子的靜止質量很小且迅速回應電場。電漿子描述許多電子的集體振盪,而其頻率則依據這個電子海中的波浪在石墨烯微米帶的邊界之間來回晃動(slosh)的速度有多快。當施加頻率相同的光,其結果是「共振激發(resonant excitation)」 — 以及對於該頻率光線的同時強烈吸收(simultaneous strong absorption)。因此,振盪頻率是由微米帶的「寬度」所決定,改變其寬度能調整系統吸收不同頻率的光線。

光–電漿子耦合的強度也會受道電荷載體(電子與電洞)濃度的影響。石墨烯一項突出的特徵是,其電荷載體的濃度只要施加一強電場就能輕易的增加或減少 — 此即所謂的靜電摻雜(electrostatic doping)。

這個柏克萊裝置將這些方法一併納入,用以調整對於 terahertz 光線的回應。微米帶陣列的製作,是將一個原子厚的一層碳沈積在銅薄片上,然後將石墨烯層轉移到氧化矽基質上,然後蝕刻出帶狀圖案。具接點以改變電壓的離子膠則被置於石墨烯之上。

守門的石墨烯微陣列在 beamline 1.4 的 Berkeley Lab 的先進光源(ALS)處以 terahertz 輻射照射,而傳輸測量則使用 beamline 的紅外線光譜儀。在這種方式下,研究團隊證明,光與電漿子之間的耦合比其他 2D 系統強上一個數量級。

控制電漿子強度以及 terahertz 吸收的最終方法依賴偏振(polarization)。根據頻率,當照射的光線與石墨烯帶方向相同時,吸收並無變化。但光線與微米帶成直角時 — 與振盪的電子海同方向 — 則產生陡峭的吸收峰值。此外,在傳統 2D 半導體系統中的光吸收,例如量子井,只能在接近絕對零度的溫度下測量。而柏克萊團隊則在室溫下測得突出的吸收峰值。

“Terahertz 輻射含括一段難以運用的光譜範圍,因為到目前為止這邊沒有工具可用," 王楓說。"現在我們剛開始有了一組工具箱,可在此範圍內運用,有可能導致各式各樣基於石墨烯的 terahertz 超材料。"

此柏克萊實驗設置只是未來某種裝置的先驅,那將能控制偏振並修改 terahertz 光線的強度,並使其他光學與電子元件能用在醫療成像到天文學的一系列應用中 — 全都在二維內。

資料來源:PHYSORG: Tunable graphene device demonstrated: First tool in kit for putting terahertz light to work [September 4, 2011]

原發表於 only-perception

 

 

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