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两种奇异的二维材料组合提供了一种调节光波的新方法
发布:shadow   时间:2015/6/11 15:32:25   阅读:2475 
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材料与测试:研究表明:直流电压加于石墨烯和氮化硼片层可用来控制附近原子的发光。在这里,石墨烯用紫红色的顶层表示;氮化硼用石墨烯下面的黄绿色格子表示;原子用一个灰色的圆表示。低的直流电压(蓝色)使光在氮化硼内部传播,形成一个紧密封闭的光信号波导。来源:Anshuman Kumar Srivastava 和 Jose Luis Olivares/麻省理工学院
研究表明:直流电压加于石墨烯和氮化硼片层可用来控制附近原子的发光。在这里,石墨烯用紫红色的顶层表示;氮化硼用石墨烯下面的黄绿色格子表示;
原子用一个灰色的圆表示。低的直流电压(蓝色)使光在氮化硼内部传播,形成一个紧密封闭的光信号波导。
来源:Anshuman Kumar Srivastava 和 Jose Luis Olivares/麻省理工学院
 
研究人员发现了一种通过结合两种不同特性的二维材料,来高度控制光波的方法。他们认为这具有产生新型光探测和热管理系统,以及开发高分辨成像设备的潜力。
 
这些新发现——使用一层单原子层厚度的石墨烯置于一种类二维材料六方氮化硼(hBN)的顶部——被发表在《纳米快报》杂志上。该工作是由麻省理工学院机械工程系的副教授Nicholas Fang和研究生Anshuman Kumar,以及他们在IBM公司T.J沃森研究中心、香港理工大学、明尼苏达大学的合著者共同完成。
 
虽然两种材料在结构上相似——都是由原子的六角形阵列形成的二维薄层,但是它们中的每一种与光的相互作用却完全不同。但研究人员发现这些相互作用能够互补,他们能够以结合的方式对光的行为形成显著的控制。
 
当一个特殊的电压施加于石墨烯时,这种杂化材料限制了光线。当同时施加一个不同的电压时,这种材料允许一种称为“双曲率”的光的特殊发射和传播——一种在以前的光学系统中没有见过的现象,Fang这样说。这种独特行为的结果之一是极薄的材料能够与光强烈地相互作用,使光束能够被引导、汇聚,以及通过施加在薄层上的电压来控制。
 
“这造就了一个在非常有限的空间内发送和接收光的新方式,” Fang说,并可能促使开发出“具有巨大光学互联潜力的独特光学材料”。许多研究人员把改进光学和电子器件的相互联系看作是一种更加有效的计算和成像系统的途径。
 
材料与测试:施加在石墨烯(红色)上更高的电荷浓度 “排斥”了来自原子的光线。 来源:Anshuman Kumar Srivastava 和Jose Luis Olivares/麻省理工学院
 
施加在石墨烯(红色)上更高的电荷浓度 “排斥”了来自原子的光线。
来源:Anshuman Kumar Srivastava 和Jose Luis Olivares/麻省理工学院
 
光与石墨烯的相互作用产生等离子体振子(也可以称为等离体子或电浆子),而光与hBN相互作用产生声子(晶体中晶格振动能量的量子化)。Fang和他的同事们发现:当这些材料以特定的方式结合时,等离体子和声子能够成对结合,产生强烈的共振。
 
研究人员认为,石墨烯的特性可以精确地控制光,而hBN对光形成很强的约束和引导。两者结合就可能产生具有两者优点的新型 “超材料”。
 
IBM的研究人员及论文合著者,Phaedon Avouris说:“这两种材料的组合产生了一个控制光学过程的独特体系。”他们说,这种组合材料创造了一个可调的系统:它可以被调整到只允许特定波长和方向的光线传播。“我们可以选择一些频率的光让它们通过,而阻止另一些频率的光” Kumar说。
 
Fang说,这种特性使其可能创造出20纳米尺寸的微型光波导——这是和现在能够生产出的微芯片同样的尺度范围。这可能导致在单一装置中结合光学和电子组件的芯片产生。他们说,相比于把各个设备单独制造出来,然后连接在一起,这样做能量损失要小的多。
 
IBM以及明尼苏达大学的研究者,论文的合著者Tony Low说:“我们的工作——使用二维异质材料为开发所需的新光学特性铺平了道路。”
 
Fang说,另一个潜在的应用来自于对该材料表面光束的开关能力;因为该材料天然地对近红外光起作用,这可能为获取红外光谱提供了一个新的途径。Fang说:“它甚至可能提供将生物分子置于该杂化材料表面的单分子解决方案。”
 
“这项工作代表了对石墨烯-hBN进行光调节作用理解的巨大进步。” Sheng Shen说,他是卡内基梅隆大学机械工程系的助理教授,并没有参与这项研究。他认为:该工作对于开发基于石墨烯和hBN的光电或光子设备,提供所需的理解是相当重要的。并且“可能对于开发这些设备提供了直接的理论指导……我个人对这种新颖的理论工作感到十分兴奋。”



来源:材料与测试
译者:天使之翼
译自phys.org
 
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