聲學石墨烯等離子體激元的研究為光電應用鋪平了道路

韓國科學技術院的研究人員及其國內外合作者成功地展示了一種新型的石墨烯聲

等離子體

場直接近場光學成像方法。這一策略將為石墨烯聲等離子體平臺在下一代高效能石墨烯光電器件中的實際應用提供一個突破，增強了光物質相互作用，降低了傳播損耗。 最近有研究表明，石墨烯等離子體激元，即石墨烯中自由電子與電磁波耦合的集體振盪，可用於捕獲和壓縮將石墨烯與金屬片分離的極薄介質層中的光波。在這種結構中，石墨烯的傳導電子在金屬中“反射”，因此當光波“推動”石墨烯中的電子時，它們在金屬中的電荷影象也開始振盪。這種新型的集體電子振盪模式被稱為“聲學石墨烯等離子體激元（AGP）”。 AGP的存在以前只能透過間接的方法觀察，如遠場紅外光譜和光電流繪圖。這種間接觀測是研究人員為在

奈米

薄結構中對光波的強烈壓縮所付出的代價。認為裝置外的電磁場強度不足以實現AGP的直接近場光學成像。 受到這些限制的挑戰，三個研究小組共同努力，利用先進的納米制造方法，建立了一種獨特的實驗技術。

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他們的發現發表在2月19日的《自然通訊》雜誌上。 韓科院的一個研究小組由分鐘Seok張成澤電氣工程學院的教授使用了一個高度敏感的scattering-type掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）直接測量的光學領域AGP nanometer-thin波導波傳播，視覺化的千重壓縮中紅外光線第一次。 張教授和他的團隊的博士後研究員Sergey G。 Menabde成功地利用AGP波的快速衰減但在石墨烯上方始終存在電場，獲得了AGP波的直接影象。他們表明，即使當AGPs的大部分能量在石墨烯下面的電介質內流動時，也可以檢測到AGPs。 這之所以成為可能，是因為奈米波導內部的表面超光滑，等離子體波可以在更長的距離上傳播。與類似條件下的石墨烯表面等離子體激元相比，研究人員所探測的AGPmode的侷限性要高出2。3倍，在標準化傳播長度方面表現出高出1。4倍的優點。 實驗中使用的這些超光滑的波導奈米結構是由明尼蘇達大學電子與計算機工程系的吳尚鉉教授和博士後研究員李仁浩（in - ho Lee）用模板剝離方法建立的。 韓國成均館大學基礎科學研究所（IBS）綜合奈米結構物理中心（CINAP）教授Young Hee Lee和他的研究人員合成了單晶結構的石墨烯，這種高質量、大面積的石墨烯實現了低損耗等離子體傳播。 許多重要有機分子的化學和物理性質可以透過它們在中紅外光譜中的吸收特徵來檢測和評價。然而，傳統的檢測方法需要大量的分子才能成功檢測，而超壓縮的AGP場可以在微觀水平上提供強的光-物相互作用，從而顯著提高了檢測靈敏度，甚至可以檢測到單個分子。 此外，由Jang教授和該團隊進行的研究表明，中紅外AGPs天生對石墨烯中的損耗不太敏感，因為它們的場主要侷限在電介質內。研究小組報告的結果表明，AGPs可能成為一種有前景的平臺，用於可電調諧石墨烯光電器件，這些器件通常在石墨烯中吸收率較高，如超表面、光開關、光伏和其他在紅外頻率下工作的光電應用。 Jang教授說：“我們的研究揭示了聲學石墨烯等離子體激元的超壓縮電磁場可以透過近場光學顯微鏡方法直接訪問。我希望這一發現將激勵其他研究人員將AGPs應用於需要強光-物質相互作用和較低傳播損耗的各種問題。”