原创 IBM提供光子特性的石墨烯/绝缘体超晶格

石墨烯由于可被制造成导体、半导体和绝缘体，因而一直被视为是未来的神奇材料。现在，IBM公司还为石墨烯开启在光电领域的崭新应用──透过展示一种可为石墨烯带来光子特性的石墨烯/绝缘体超晶格，使其可实现达兆赫(terahertz；THz)级频率的陷波滤波器与线性偏光片等光学元件，有助于在未来扩展至中红外线和远红外线波段的光电设备，如探测器、调制器与3D超颖材料应用中。

“除了具有良好的电气特性以外，石墨烯还具有特殊的光学性质。特别是它能吸收从远红外线到紫外线波段的光线，”IBM院士Phaedon Avouris表示。“IBM公司对于THz级频率范围特别感兴趣，因为这些频率范围具有安全应用中所需穿透纸张、木材及其他固体物体的性能。遗憾的是，目前仅能透过偏光和滤波作用等几种方式来操控THz级波段，但由于石墨烯能在THz级频率有效运作，我们正专注于开发出这一类的元件。”

THz级频率振荡作用可由石墨烯透过等离子体进行传导，以实现低损耗的可调谐滤波器。根据IBM表示，由于单层石墨烯的载子浓度与共振频率不足，无法用于光电应用中；因此，透过采用多层的石墨烯/绝缘层超晶格，透明的元件可被图形化印制于光电晶体中，并在各层有效地散布载流子，以强化载流子浓度与共振频率。

“我们发现石墨烯与电磁辐射的互动在THz级范围时特别强烈，但采用单层石墨烯时的互动仍然不足，”IBM TJ Watson Research Lab纳米科学与技术部门研究员Hugen Yan表示，“透过采用微盘阵列中的多层堆叠结构，我们可在THz级范围内实现频率的可选择性，让我们能够调整所需的共振频率。”

扫描电子显微镜图像：直径2um微盘(紫色)的5层石墨烯/绝缘体超晶格阵列

透过石墨烯/绝缘体微盘图案阵列，IBM发现可经由使用各种不同的微盘尺寸、层数、间距以及掺杂石墨烯层，以调整出所需的共振频率。经过多次分析，IBM并发现，相较于传统的半导体超晶格，石墨烯/绝缘体超晶格可根据管理迪拉克费米子(Dirac fermions，如夸克、轻子、重子与强子)的原则，使其具有一种独特的载流子密度微缩规律。

因此，IBM公司已经能够证明图形化石墨烯/绝缘体堆叠能够建置一种具有8.2dB抑制比的广泛可调谐陷波滤波器，以及具有9.5dB穿透率消光比的THz级线性偏光片。此外，IBM公司还展示这种石墨烯/绝缘体超晶格能够在低于1.2THz的频率范围内避开97.5%的电磁辐射。

未来，该研究小组并计划调整其石墨烯/绝缘体超晶格，进一步瞄准当今光通讯设备所用的红外线频率。

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