奈米共振腔助石墨烯吸收更多光

2012/11/25 |

科技能源

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單原子厚的石墨烯（graphene）能吸收超過2%的入射可見光，已經教人驚艷，最近，美國研究人員藉由將石墨烯與光學共振器耦合，進一步將它在遠紅外及微波範圍的吸收率提升至45%以上。此研究成果再次證明石墨烯可用來製作許多新一代光學元件，譬如光學通訊應用上所需的超快調制器、開關元件以及偵測器等。

石墨烯中的電子行為類似無靜止質量的迪拉克（Dirac）粒子，能在材料內以極高速運行，因此石墨烯具有許多優異的電子與機械性質，甚至被看好未來將取代矽成為電子產業的新寵。石墨烯也非常適合光電應用，其吸收的光譜範圍相當寬，從可見光到紅外光，而一般三五族半導體的吸收範圍則窄多了。然而，儘管單層石墨烯已經能吸收2.3%的入射光，但這個數量對實際的光電與全光學應用仍遠遠不足。

哥倫比亞（Colombia）大學的Tony Heinz 與Dirk Englund等人發現把石墨烯置於平面光子晶體（planar photonic crystal, PPC）旁可增強石墨烯與光子間的交互作用。他們透過光譜量測證明石墨烯與光子晶體共振腔所捕捉的光子產生強烈耦合，使反射光減少達100倍以上，導致石墨烯從原本的半透光變成幾乎不透明。該小組利用耦合模理論（coupled mode theory）來解釋實驗結，顯示石墨烯-共振腔系統能吸收超過45%的入射光。這點不僅對光電產業是件好消息，也能應用在探究次波長的石墨烯區域的高解析拉曼光譜術上。

該團隊所採用的光子晶體共振腔是由次波長厚度且具有週期孔洞的磷化鎵半導體膜所構成。根據他們的計算結果，其他如錐形光纖、晶片波導耦合器或環形共振器等更高效率的耦合器甚至能將入射光吸收率提升至90%。此現象意味著石墨烯可使用在微型光探測器、超快調制器等其他光電裝置作為主動材料。

此實驗的拉曼散射研究可望進一步以高解析度探索石墨烯的晶界與邊緣態。研究人員透露他們目前已著手利用此石墨烯-共振腔系統來打造光學通訊應用所需的高效率調制器。詳見Nano Lett., Article| DOI: 10.1021/nl302746n。

譯者:翁任賢（成功大學物理系）
責任編輯:蔡雅芝

資料來源：Nanocavity helps graphene absorb more light. NanoTechWeb [Oct 26, 2012]

轉載自奈米科學網