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石墨烯基混合材料可实现不可见光的高效光转换

非线性光学转换–即由于一定波长的入射光束与它所穿过的材料的相互作用而使一定波长的入射光束变成不同波长的光线的过程–与许多当前和将来的技术有关,例如成像,信息存储和处理,电信,量子技术以及其他领域。

图片来源:HZDR / Werkstatt X

这些应用的理想材料首先应提供很高的转换效率,这意味着必须将很大一部分入射光束转换为所需波长的光。

还要求其占地面积小(也就是说,必须使用尽可能少的材料);与大多数电子设备中使用的标准CMOS技术兼容;并能够在室温下运行。

对于入射光在电磁频谱的太赫兹(THz)区域的应用,特别需要一种最佳解决方案。人眼无法看到这种光,但是它通常用于从机场安全到产品检查的各种应用,并且可以在未来的通信技术中发挥重要作用。

二维材料对于光转换非常有趣。它们由单层原子(或两层原子)组成,因此厚度几乎为零(这就是为什么将它们称为2D材料)的原因。

该特性确保了较小的材料占地面积。另外,由于它们比光的波长薄,因此在这些材料中传播的光波保持同相。其中,石墨烯是由蜂窝结构中排列的单层碳原子制成的众所周知的材料,特别有前景。

这是因为它表现出非常大的非线性转换系数,尤其是在THz范围内。但是,另一方面,由于光可以与之相互作用的少量物质,其极薄的厚度会影响其转换效率。

为了克服这个问题,作者决定将石墨烯与另一种增强这种相互作用的材料系统结合使用。

来自加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所(西班牙,ICN2)的研究人员组成的团队是Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (德国HZDR),光子科学研究所(ICFO,西班牙),马克斯·普朗克聚合物研究所,美因茨(德国),比勒费尔德大学(德国)和柏林工业大学(德国TUB)合并具有提供场增强作用的金属结构的石墨烯,导致混合材料具有很高的非线性光转换效率。

正如最近在ACSNano上发表的一篇科学文章中所解释的那样,这种结构(光栅石墨烯)以新波长产生的出射光的强度比仅使用石墨烯获得的强度高1000倍以上。

ICN2纳米系统超快动力学小组的负责人,论文的最后作者Klaas-Jan Tielrooij博士解释说:"石墨烯和金属光栅的组合可实现太赫兹光的高效转换,对于相当弱的入射光,可达到1%(场内)。"该作品的第一作者,HZDR的Jan-Christoph Deinert博士补充说: “这种混合材料使我们能够观察到比入射光快三倍,五倍,七倍甚至九倍的光。”

这种混合材料出色的转换效率确保了转换过程中的低功耗,同时石墨烯与CMOS技术的兼容性允许集成在基于这种技术的设备中。

总体而言,这种光栅-石墨烯结构本身是需要在太赫兹状态下进行非线性转换,芯片集成,室温工作且功耗低的商业可行应用的理想选择。

资源: //icn2.cat/en/

发表于 2020年12月16日下午11:58