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石墨烯隔出電漿子所需之次奈米空隙

2013/11/11 | | 標籤:

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英國研究人員利用石墨烯(graphene)作為隔片(spacer),將奈米金元件彼此隔開僅一原子寬的距離。此極薄隔片使研究人員得以製作出能捕捉光的次奈米空隙,該結構可望應用於感測器,以及安裝在行動裝置顯示幕上的透明電子元件或相機。

電漿子學(plasmonics)是近十年新興的領域,主要探討的是金屬奈米結構間的微小空隙能強烈匯集光的現象。奈米空隙能將光局限於比本身波長小上數百倍的區域內,仰賴的是金屬表面的電漿子能與光產生強烈交互作用,其中的電漿子是金屬表面電子的集合振盪。此技術能克服繞射極限,為奈米物體造影。然而,製作這類次奈米空隙並非易事。

最近,英國劍橋大學的Jeremy Baumberg等人提出的方法或許能克服上述問題。他們以單層原子厚石墨烯來隔開金奈米微粒與底下的金箔,在奈米夾層結構中製作出穩定的次奈米空隙。Baumberg解釋,這些藉石墨烯所隔離出的微小空隙能困住光線,因此造成微小空腔內的場強度大增。

此劍橋團隊與諾基亞(Nokia)合作,利用白光光譜(white light spectroscopy)技術,來研究此奈米夾層結構的散射情形。他們採用一熱光源發出涵蓋所有可見光波長的白光,以大角度照射此奈米夾層,然後遮擋掉直接反射的光,讓探測器只接收朝向其他方向的散射的光。為研究在石墨烯隔離下的單一奈米微粒的光學性質,研究人員採用集光面積很小的探測器。白熱光源照射能共振激發金奈米微粒中的自由電子,這些電子像游泳池中的水波在微粒表面來回運動形成電漿子(plasmon),導致方向不同於入射光反射方向的散射光。

奈米微粒下的金基板在電性上就像一面鏡子,奈米微粒能與其鏡像發生交互作用。微粒與其鏡像的組合可視為2個粒子,之間的空隙則由石墨烯片的厚度決定,換言之,增加石墨烯片數目會改變微粒間的距離。研究人員藉此探討奈米微粒中的電漿子與其鏡像的耦合。當隔片只有單原子厚時,耦合非常強烈且由量子力學效應支配結構的性質。此時,耦合電漿子共振會分裂為兩個能量值,其大小則由量子力學決定。

該研究團隊認為此結構可望用來製作極靈敏的光感測器,此類裝置能用來製作顯示幕上的透明電子元件或相機。他們目前正著手研究如何利用加電壓來改變石墨烯隔片的電阻值,希望藉此改變石墨烯的性質以調變電漿子的共振頻率。aumberg表示這或許能導致新型光學開關和探測器。詳見Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl4018463。

 

資料來源:Graphene spacer creates sub-nanometre gap in plasmonic sandwich. 


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