又見石墨烯：完美光吸收材料！
- 上線日期：2012/2/29 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
西班牙與英國的物理學家透過理論計算發現，在摻雜的石墨烯上製作週期性陣列可能使石墨烯成為完美的光吸收材料。此理論預測驚人之處在於一般材料通常需要具有數千原子的厚度方能完全吸收入射光線，而石墨烯實際上只有單原子厚。這項研究有助於光偵測元件的改良，特別是現行技術仍無法征服的遠紅外光頻譜區。
該研究團隊包含西班牙的物理化學研究所Rocasolano、光電科學研究所ICFO與英國的南安普敦(Southampton)大學。研人員在石墨烯上設計週期性碟型奈米圖案，該結構會將入射光侷限在比光波長小數百倍的區域內並加以吸收。此完全光吸收機制的幕後功臣為奈米碟結構中的電漿子(plasmon)。電漿子一般發生在頻率更高的可見光波段，尤其是在三維的金屬奈米結構中，彩色玻璃窗即為一例。由於石墨烯中的電子只能在二維平面上運動，電漿子會在較低的頻率產生。
石墨烯必須帶電才可能侷限光，而帶電量的多寡決定了對應的侷限光波長。只要在石墨烯附近放置電極並施加偏壓就能使其帶電，改變電壓更可控制其帶電量，此方式也可稱為摻雜(doping)，因其效果等同於將雜質加入一般半導體中。
奈米碟狀結構的間距決定了石墨烯的光吸收量：排列太緊密，入射光會被反射；排得太鬆散則導致吸收不足。其他的石墨圖案如帶狀結構，也有類似的效果。此外，入射光會在奈米碟狀結構周圍產生由消散波(evanescent wave)構成的感應電磁場，因此這裡的光侷限機制並非源自古典電磁學中的繞射現象，而與臨界耦合(critical coupling)有關。
該團隊計算此圖案化石墨烯在近紅外到中紅外波段的光吸收情形，團隊主持人Garcia de Abajo表示，他們採用的解析方程式能輕易地推廣到兆赫(terahertz)波段。這些波段在造影、感應及偵測上皆有應用潛力，由於現行的光吸收元件在兆赫波段表現不佳，此研究成果或許能填補這段惡名昭彰的兆赫波缺口(terahertz gap)。
該團隊目前計畫探究石墨烯中其他獨特的光學現象，並從量子極限的角度研究此類結構對於單一光子的影響。他們也打算分析其他可能產生類似效應的材料，如拓撲絕緣體(topological insulator)。詳見Phys. Rev. Lett. 108, 047401 (2012)。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/48463
譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
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