可见-近红外波段可调控的金/石墨烯纳米天线

纳米材料新贵石墨烯,因其独特的蜂窝型原子结构,拥有无与伦比的导电导热特性和优异的力学特性和光吸收性质。基于石墨烯的光电器件具有高集成度、低能耗、易调控等优点,因而石墨烯有望取代单晶硅材料引起一场信息通讯技术革命。在过去两年中,科学家们已经实现了用石墨烯制备工作在中红外波段的纳米天线,并通过调制石墨烯的光学跃迁来调控其纳米天线的频谱响应。在无线电信号传输中,电磁信号的频率越高,其传送信息的容量就越大。但由于石墨烯对光的吸收利用效率低,其带间吸收又主要在中红外波段,目前让石墨烯纳米天线有效工作在频率更高的可见近红外波段依然极具挑战。另一方面,具有表面等离激元共振特性的贵金属纳米结构可以与光场共振从而把光场能量局域到极小的空间尺度。这种贵金属纳米天线可以工作在可见-近红外波段且对光的利用效率高达100%,其光学响应对外界环境的变化极其敏感。然而独立的贵金属纳米天线由于其尺寸很小,极难通过微纳加工技术来调制。把石墨烯和贵金属纳米结构两种纳米天线材料复合在一起可以结合二者的优点,有望制造出在可见-近红外波段可调控的纳米天线,但由于贵金属纳米结构表面等离激元共振与石墨烯带间光学跃迁之间的耦合作用很弱,相关的研究仍然鲜有进展。

针对石墨烯/贵金属纳米天线研究中遇到的困难,香港中文大学王建方教授、许建斌教授、北京大学彭练矛教授、北京计算科学研究中心林海青教授以及他们的合作研究团队设计提出了一种三明治结构的金/石墨烯纳米天线。表面等离激元共振耦合的金纳米结构把光场能量局域在一个1纳米左右的空间,大大增强了光和石墨烯的相互作用。制成的金/石墨烯纳米天线在可见-近红外波段(500-900纳米)呈现出特征的光学响应,并且其频谱特征可以通过改变石墨烯的电磁屏蔽性质来调控。单原子层的石墨烯可以极大地影响金纳米结构的表面等离激元共振性质,这种石墨烯和金纳米结构表面等离激元之间强烈的相互作用被实验中观测到的巨大的共振频率红移所证实。

该工作所提出的三明治结构纳米天线不仅极大地增强了光和石墨烯的相互作用,为明星材料石墨烯的研究提供了新的技术手段。金/石墨烯复合体系也为主动型表面等离激元共振器件的发展拓展了新的方向。工作在可见-近红外波段的金/石墨烯纳米天线有望进一步提高石墨烯光电器件的性能,这种新型的纳米天线也同时在生物化学检测、光能利用等领域有巨大的应用潜力。相关工作得到了香港研究资助局和国家重点基础研究发展计划的资助。