科技日報記者 陸成寬
等離激元是極化激元的一種，它是由入射光激發(fā)的沿材料表面?zhèn)鞑サ墓庾雍碗娮踊旌现C振的電磁模式，也是納米光子學材料中存在的一種獨特的物理現(xiàn)象。它能夠突破衍射極限，從而有望實現(xiàn)納米級片內(nèi)互聯(lián)。與傳統(tǒng)的金、銀等金屬材料相比，新型二維材料石墨烯具有單原子層的厚度、狄拉克電子特性和高載流子遷移率的特點，其支持的等離激元具有更高的波長壓縮比和靜電可調(diào)的優(yōu)勢，因此成為近年來研究的熱點。2011年首次實驗觀測以來，石墨烯等離激元已經(jīng)在納米波導、電調(diào)激光器和分子傳感器等方向展示巨大應(yīng)用潛力。
然而，石墨烯二維材料的特性使其對周圍的介質(zhì)環(huán)境異常敏感，諸多因素使其傳輸性能受到影響，阻礙其進一步應(yīng)用于光電集成器件。研究表明，除了自身的熱聲子散射，基底的雜質(zhì)、聚集電荷散射，聲子散射，以及介電環(huán)境的極化都會對石墨烯等離激元產(chǎn)生損耗，降低其品質(zhì)因子和傳輸距離。如何突破介電環(huán)境對等離激元的性能限制，實現(xiàn)高品質(zhì)、長傳輸?shù)氖┑入x激元性能，已經(jīng)成為石墨烯等離激元邁向功能化應(yīng)用發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵問題。
近日，中國科學院國家納米科學中心戴慶研究員團隊與其他研究人員合作，進一步在懸空石墨烯結(jié)構(gòu)獲得高質(zhì)量的本征等離激元，解決了基底引入的額外損耗和限制調(diào)控等問題。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》上。
研究發(fā)現(xiàn)，懸空石墨烯提供了純凈的等離激元環(huán)境，其品質(zhì)因子高達33，對應(yīng)的傳輸距離超過3微米。這是目前報道的室溫下石墨烯等離激元具有的最高傳輸性能記錄，對比同等條件下氧化硅基底上的石墨烯等離激元性能提升一個數(shù)量級以上。
此外，該工作發(fā)現(xiàn)懸空高度可作為新型等離激元原位調(diào)制手段，可顯著調(diào)節(jié)等離激元波長、傳輸距離和群/相速度等性能?？蒲袌F隊利用這種調(diào)控優(yōu)勢，開發(fā)出一種新型等離激元開關(guān)器件，其電磁能流開關(guān)比高達14。得益于石墨烯的電學可調(diào)性質(zhì)，這種新型等離激元開關(guān)可以通過柵極電壓進行調(diào)控。
懸空石墨烯等離激元兼具長傳輸距離、高可調(diào)諧性和可控的能量傳輸?shù)膬?yōu)異性能，這為其將來在信息光子器件中的諸多應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。懸空結(jié)構(gòu)也為探索其他范德華材料支持的極化激元提供了新平臺，如聲子極化波、激子極化波和磁極化波等。探究懸空二維材料豐富極化激元的基本性質(zhì)和使用性能的調(diào)控規(guī)律，能夠避免基底的各種散射和極化影響，從而保持其本征的物理性質(zhì)和高品質(zhì)的傳輸性能，并為將來構(gòu)筑新型納米光子學器件提供新的思路和選擇。
關(guān)鍵詞： 等離激元
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