PDF《石墨烯为下一代表面等离激元》

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2004 年,人们首次成功合成 了单原子层厚的石墨薄膜,并将 其命名为石墨烯.

十几年过去 了,现在,石墨烯已被广泛用于 光伏、下一代电池和电子器件等 产品中. 石墨烯拥有许多优秀属性, 比如电导率和导热系数.起初, 人们只是将它用于电子器件,却 忽略了它同样优秀的光电性能. 很快人们就发现,石墨烯作为透 明导体电极同样拥有惊人的潜 力,可以代替常用的铟锡氧化物 (ITO).除了结构强度与灵活 性,石墨烯还提供了能与?ITO?相 媲美甚至更优秀的光电性能.它 还可以用于其他各种应用,例如 触摸屏和光伏中的透明导体(见图 1)、用于探测病毒或蛋白 质的芯片设备、改进型夜视仪、 中红外成像应用以及太阳能电池. ??石墨烯与表面等离激元 除光电元件外,当人们将石 由于人们对更小尺度光学应用及其 特性的不断探索,表面等离激元行 业发展迅猛. 传统上,光子一直用于处理微 米尺度结构,由于光的衍射极限特 性,将光挤进更小尺度的难度很 高.表面等离激元帮助解决了这一 难题,甚至支持将光约束在纳米尺 度内. 这种方法将入射光耦合到名为 等离激元的电子振荡,这也是表面 等离激元名称的由来.今天,表面 等离激元已经成为光子学中一个正 积极发展的重要分支,主要用于处 理等离激元的有效激励、控制与 使用. ??石墨烯实现了表面等离激元在 实际设备中的应用 在普渡大学(Purdue University) 的Birck 纳米技术中心的电气和计算 机工程学院, Alexander V. Kildishev 副教授带领下的计算纳米光子学研 究工作一直处于领先水平,他们在 研究中结合了石墨烯与表面等离激 元,使其更接近实际光电应用. Kildishev 和他的同事们在石墨 烯研究中遇到了一个基本问题:现 在很难生产高质量的大面积石墨烯 薄膜.在石墨烯的生产工艺改进之 前,Kildishev 和他的团队只能借助 仿真工具来设计和优化石墨烯器件. 利用仿真和实验测试,Kildishev 和他的同事们验证了纳米 天线阵列中等离子体共振的可调谐 石墨烯的辅助阻尼,这对于设计中 红外波段可调谐光子元件非常重 石墨烯为下一代表面等离激元 铺平道路 仿真工具将二维材料中的复杂物理场与表面等离激元结合在 一起, 带来了光电设备的变革. 作者: DEXTER JOHNSON 模拟石墨烯 2015年9月图1:可弯曲、更轻薄的智能手机与笔 记本电脑的屏幕,这仅是石墨烯诸多应 用中的一个示例;

它还能用于能源、计算、工程以及健康技术与设备等领域. 墨烯用于表面等离激元这一光子学分 支领域时,它更是大放光芒;

近年来, 要.许多分子的基本振动共振会驻 留在中红外波段,因此,对于传感 和成像领域的应用而言,能开发出 可以在此波段工作的可调谐表面等 离激元器件至关重要. 另一方面,波长更短的红外 (IR)波段对电信和光学处理也非 常重要,比如电信波段.普渡大学 的研究团队已经证实,在近红外波 长,可以对石墨烯-金属表面等离 激元复合结构中的法诺共振进行有 效地动态控制.法诺共振常见于经 特定耦合的共振光学系统的传输 中,研究人员正将法诺共振的属性 应用于滤光器、传感和调节器(见图2). Kildishev 认为,在设计下一 代表面等离激元和复合纳米光子芯 片器件中的可调谐单元时,比如 设计传感器和光电探测器,COMSOL Multiphysics? 软件模型 的预测功能是其中的重要环节.在 多色夜视和热成像中,将最终能 够使用光电探测器来感应红外电 磁辐射.另一项可能的应用是生 物传感,表面等离激元单元的共 振线被调谐到和病毒或蛋白质的 光谱响应相匹配的谐振频率. 在普渡大学研究人员的研究 中,他们将石墨烯的特有属性与 表面等离激元纳米天线相结合, 用于调制天线的光学属性.就像 电路中的晶体管一样,光路中的 可调谐共振单元对光电元件也非 常重要. 结合纳米图案石墨烯与电 子门控(见图3),我们能够模拟 空间中带有非平行空间解析度的 光通量. Kildishev 之前的博士 生Naresh Emani 博士介绍说,后 者现就职于新加坡 DSI 研究院, 石墨烯表面等离激元单元中的 降维与半金属行为,为我们提供 了许多重要的属性,其中最关键 的一项便是电可调谐性.这个关键功 能在常规金属表面等离激元中是无法 实现的. 基于贵金属的表面等离激元器件 往往不具备这种对电可调谐性的控制 水平.贵金属导带中包含大量的电 子,因此不能方便地调制金属的电导 率.但石墨烯是一种可调谐半金属, 在原始状态下,导带中不包含任何电 子.因此,可以对它的电子浓度进行 化学调制,电调制,甚至光学调制, 进而调制它的电导率. ??仿真与模拟所扮演的角色 对于研究人员而言,数值建模是 一项非常重要的工具,这使他们能够 免受纳米制造的昂贵成本及其他各种 限制的影响,能够方便地对设计进行 优化. 与实验工作相比,数值建模的 成本很低,帮助我们减少了验证设计 输出所需的原型机数量,为我们提供 图?2:在单层石墨烯板上设计的法诺共振表面等离激元天 线,利用?COMSOL?软件及波动光学模块进行优化,希望在 2?μm?的波长实现共振.实验使用离子凝胶顶部电解质门控成 功验证了设计的可调谐性2. 图3:用于研究石墨烯纳米带(GNRs)中等离子共振实验 装置的 3D 效果图,在COMSOL Multiphysics 软件中使用表 面电流方法模拟.GNRs?晶格取向为非等比例绘图,仅作 展示目的. 2015年9月15

16 2015年9月 了不错的预测能力,还可以针对 需要的功能进行优化. Kildishev 解释道. 在这样一个石墨烯材料质量 差别很大的领域,要想更好地理 解所有设计变量的影响,紧密关 联数值结果与实验是关键. 大多数情况下,通过拟合 模型参数与实验结果,我们可以得到给定过程的实际物理场. Kildishev 说道, 拥有这 样一个经过验证的数学模型,我 们能更好地进行理解与解释.当 你借助数学模型理解这些现象之 后,就能完整了解那些可用于其 他新想法的整套机制. 当然,数学建模也有自己的 缺点. 不幸的是,很多问题并 不具备解析解,因此我们必须采 用其他方案. 他补充道.根据 Kildishev 团队高性能计算专家 Ludmila Prokopeva 博士的说法, 数值技巧就是清除这些障碍的强 大工具.经过合理设计的仿真工 具可以提供较好的稳定性、精度 以及速度.通常需要非常高性能 的计算机,特别是对需要全三维 (

3 D ) 仿真的纳米结构器件而言. 计算纳米光子学的多物理 场和多尺度本质决定了我们必须 使用强大的仿真工具. Kildishev 说道. 没有仿真工具能适合所有的 场景. 我们自己有一整套的专 有软件和商用软件,但我们始终 都在寻找其他能加入那些很有意 思的新物理场的方法. Kildishev 介绍, 十多年来,我们一直很 依赖 COMSOL Multiphysics 软件,它 的主要优势在于,我们能在它独有的 方程驱动型框架内进行灵活操作,这 非常特别. 他补充说: COMSOL 允许用户 耦合多个物理场接口,从而能够分享 相同的网格,甚至支持使用不同的网 格.我们也可以将求解器链接至复杂 的材料函数:例如,我的团队已经针 对石墨烯实现了多个复杂 MATLAB? 介 电模型,COMSOL? 软件可以将这些模 型无缝集成进去.对于简单的显式输 入,如果使用简单的计算或查找表, 将无法处理其中的一些介电函数.我 们还能引入非线性效应,耦合至一个 传热分析,增加量子发射器等,而且 可以一直加下去. COMSOL?的另一大优势在于软 件本身支持利用表面电导率(例如, 表面电流)模拟二维(2D)材料. Prokopeva?注意到, 因为原子 厚度的关系,石墨烯的表现类似于二 维材料,但许多研究人员因为软件本 身不支持二维材料,会加入一个很薄 的人为设定的厚度,将仿真转换成一 个三维模型.三维方法会带来一些非 物理变化,增加优化过程的不确定 性,同时还会显著增加数值计算的复 杂度. 在制造技术逐渐成熟的过程中, 普渡大学的团队使用一个理论模型 来实现石墨烯的最优电导率,并在 COMSOL 中模拟了器件的响应,以 便从数值角度对系统属性进行分析 (见图

2 和图 4). 很幸运,在普渡大学的Birck 纳米技术中心,........