澳大利亞三所大學(xué)的研究人員合作開發(fā)了一種吸光器件

來自澳大利亞三所大學(xué)的研究人員合作開發(fā)了一種吸光器件，這種器件使用一種新型石墨烯基薄膜，可以吸收在60度角范圍內(nèi)的非偏振入射光。

在陽光照射下的開放環(huán)境中，這種90納米超薄超材料可以迅速升溫到高達(dá)160攝氏度。研究人員認(rèn)為，這種新型光學(xué)材料的特性使其適用于多種用途，包括海水淡化、彩色顯示器、光電探測器和用于通信設(shè)備的光學(xué)元件。

原型超薄石墨烯基吸光膜。

斯威本科技大學(xué)（位于澳大利亞墨爾本）微光子學(xué)中心的高級研究員Han Lin說：“石墨烯具有獨特的性質(zhì)。它可以吸收從紫外到微波的任何波長的光?！彼f，其他吸收物，包括各種工程超材料，相比之下都有缺點?！袄?，碳納米管厚度達(dá)數(shù)十至數(shù)百微米，這會阻礙設(shè)備集成?！?/p>

Lin作為第一作者，在本月出版的《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊上發(fā)表了一篇關(guān)于該原型器件的論文（論文標(biāo)題為“A 90-nm-thick graphene metamaterial for strong and extremely broadband absorption of unpolarized light”）。他指出，已有一些利用多層結(jié)構(gòu)制造實用石墨烯吸光器件的嘗試，但那些方法僅限于單偏振，而事實證明制造出它們是困難的。

“另一方面，我們用新型石墨烯薄膜制造的器件對偏振不敏感?！彼f?！斑@是因為它的構(gòu)造是為了降低有效介電常數(shù)以實現(xiàn)橫電（TE）和橫磁（TM）極化的吸收。制造起來也很簡單?！?/p>

來自斯威本科技大學(xué)、悉尼大學(xué)和澳大利亞國立大學(xué)的8名研究人員合作開發(fā)了一種實驗性的2.5 cm ×5 cm原型器件，該器件采用石墨烯基薄膜，對非偏振光的吸收率約為85％。通過制造一系列超材料層，部分地實現(xiàn)了高吸收率。

鑒于單層石墨烯的光吸收率僅為2.3％，采用多層結(jié)構(gòu)是必要的。然而，創(chuàng)建這樣的結(jié)構(gòu)并防止石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)槭笆テ渲匾匦裕蛔C明是一個挑戰(zhàn)。他們通過將石墨烯層與聚合物介電層分離來克服了這個挑戰(zhàn)。

采用物理氣相沉積法制備了由200納米銀鏡（用于將光反射回到器件中）和80納米厚的氧化硅隔離層組成的柔性基板。然后，利用濕化學(xué)自組裝技術(shù)將石墨烯基超材料附接上去，其中利用靜電力交替沉積帶正電荷的聚合物介電層和帶負(fù)電荷的石墨烯氧化物（GO）層。

“我們先在基板上附著一層聚合物，然后再附著一層GO?！彼雇究萍即髮W(xué)光納米材料相互作用研究小組的研究負(fù)責(zé)人Jiahua Jia教授說?！叭缓笫橇硪粚泳酆衔锖土硪粚覩O，以此類推。正電荷-負(fù)電荷、正電荷-負(fù)電荷薄膜交替出現(xiàn)。它們相互吸引，所以材料可以自組裝?！?/p>

使用該技術(shù)將30層左右的石墨烯氧化物堆疊起來，以最大限度地吸光。Jia解釋說：“我們所做的只是將基板浸到石墨烯氧化物溶液中，膜層就會自動生成。使用這種方法，我們不僅可以以納米級精度控制薄膜的厚度，還可以控制薄膜的均勻性。這不需要特殊的設(shè)備，簡單又便宜?！?/p>

然后用飛秒激光束對超材料進(jìn)行切割處理，激光束會去除一些超材料，在所得截面周圍創(chuàng)建出一個空氣凹槽的光柵結(jié)構(gòu)。激光束還將GO層轉(zhuǎn)化為類石墨烯物質(zhì)，石墨烯氧化物中的氧幾乎完全被去除，而且GO層的厚度減小到約1納米。

光柵結(jié)構(gòu)將射到器件側(cè)面的入射光變?yōu)檠乇砻嫦騼蓚€方向傳播的波導(dǎo)TE和TM模式?！斑@種結(jié)構(gòu)增加了光的吸收量，是我們實現(xiàn)85％吸收率的關(guān)鍵?！盠in說。

基于石墨烯的超薄吸光膜的熱影像。圖片來源：斯威本科技大學(xué)。

此外，超薄設(shè)計減少了材料的用量，使其能夠迅速升溫。“這就是該器件可以在30秒內(nèi)從30攝氏度升溫到150攝氏度的原因?！彼f。此外，超薄的特性使得熱可以很容易地從超材料傳遞到需要加熱的物質(zhì)（如水），因此可以用于如淡化海水等用途。

Lin指出，研究人員對已得到的結(jié)果相當(dāng)滿意，并將繼續(xù)進(jìn)行一些額外的優(yōu)化。“我們現(xiàn)在已經(jīng)取得了良好的平衡，所以我們正在尋求與業(yè)界合作來打造相關(guān)應(yīng)用?！彼忉尩?。該研究團(tuán)隊已經(jīng)與一家公司合作來制造一臺機器，以規(guī)?；┒嗄又苽涔に嚒?/p>

至于商業(yè)化，Jia說：“兩到三年是一個合理的時間。但我們認(rèn)為可能會更快實現(xiàn)?！?/p>

原型超薄石墨烯基吸光膜。