石墨烯也能發出紅外光囉！
- 上線日期：2012/6/23 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國研究人員發現，以極短脈衝雷射激發石墨烯(graphene)可使其發出紅外光，再次證明石墨烯適合光電元件上的應用。實驗結果顯示石墨烯具有兩項重要性質：電子的居量反轉(population inversion)與光增益(optical gain)。此發現證明不具能隙的石墨烯仍適合用來製作各種光電元件，包含寬頻光學放大器、高速調變器，以及光通訊和超快雷射所需的吸收器。
石墨烯為具有蜂巢晶格的平面碳材料，電子能以極高速度在材料中運動，行為類似無靜止質量的迪拉克(Dirac)粒子，因此非常適合用來製作電子元件。石墨烯在光電領域亦極具潛力，它具有理想的內部量子效率(internal quantum efficiency)，幾乎每個被石墨烯吸收的光子都會產生電子電洞對，而原則上這些電子電洞對都能轉換成電流。另外，拜迪拉克電子之賜，石墨烯能吸收所有顏色的光線，且反應時間極短，意味著石墨烯元件可望在速度上超越現行的光通訊元件。
事實上，已有許多石墨烯基本元件問世，如太陽電池、發光元件、觸控螢幕及光偵測器等。然而，卻鮮少有研究探討以飛秒脈衝雷射激發石墨烯所產生的非平衡電荷態(non-equilibrium charge state)。這些非線性現象對於製造實用光學元件如超快調變器、放大器以及波長轉換器等相當重要。
在Ames實驗室與愛荷華州立大學共同進行的實驗中，Jigang Wang等人利用能量約1.55 eV的脈衝雷射(35 fs)激發以磊晶成長的高品質石墨烯，接著測量樣本的反射光，研究人員藉此得知光吸收量的資訊，並推測出石墨烯的光導率(optical conductivity)。
研究人員發現當脈衝雷射的強度逐漸增加時，石墨烯的光導率會由正轉負。這表示石墨烯所發出的光超過吸收的光，意味著光增益(optical gain)的產生。該實驗証明了強烈的脈衝雷射會激發石墨烯中的電子，使更多電荷載子存在於上迪拉克錐(Dirac cone)中。一旦達成這類居量反轉，一個探測光子(probe photon)便能激發出大量同調紅外光子。目前的光增益數量級約在1%，已經遠高於一般半導體光學放大器，這對僅單原子厚的材料而言是相當驚人的結果。
該團隊發現，此光增益發生在紅外光波段且範圍相當寬，在低於幫浦光子(pump photon)能量數百毫電子伏特的範圍依然可見，而且僅35 fs的超短脈衝雷射便足以產生此寬頻光增益，這是在其他任何材料中前所未見的。
該團隊目前正進一步研究光激發石墨烯態在近、中及遠紅外光區的特徵，並探討不同樣本組態與成長方法所造成的影響。詳見Phys. Rev. Lett. Vol. 108 167401。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/49391
譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘
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