中國粉體網訊 等離激元是極化激元的一種，是由入射光激發的沿材料表面傳播的光子和電子混合諧振的電磁模式，也是納米光子學材料中存在的獨特的物理現象。它能夠突破衍射極限，從而有望實現納米級片內互聯。與傳統的金、銀等金屬材料相比，新型二維材料石墨烯具有單原子層的厚度、狄拉克電子特性和高載流子遷移率的特點，其支持的等離激元具有更高的波長壓縮比和靜電可調的優勢，因而成為近年來的研究熱點。2011年首次實驗觀測以來，石墨烯等離激元已在納米波導、電調激光器和分子傳感器等方向展現出應用潛力。
然而，石墨烯二維材料的特性使其對周圍的介質環境異常敏感，諸多因素使其傳輸性能受到影響，阻礙其進一步應用于光電集成器件。研究表明，除了自身的熱聲子散射以外，基底的雜質、聚集電荷散射，聲子散射，以及介電環境的極化均對石墨烯等離激元產生損耗，降低其品質因子和傳輸距離。如何突破介電環境對等離激元的性能的限制，實現高品質、長傳輸的石墨烯等離激元性能，已成為石墨烯等離激元邁向功能化應用發展中迫切需要解決的關鍵問題。
圖1.文獻報道的不同介質基底與本工作的懸空結構上石墨烯等離激元傳輸距離的對比
近日，中國科學院國家納米科學中心研究員戴慶團隊、西班牙光子科學研究所（ICFO）教授Javier García de Abajo、美國紐約州立大學石溪分校教授劉夢昆、芬蘭阿爾托大學教授孫志培、中科院物理研究所研究員陳佳寧與西班牙奧維耶多大學教授Pablo Alonso-González等合作，進一步在懸空石墨烯結構獲得高質量的本征等離激元，解決了基底引入的額外損耗和限制調控等問題。
研究發現，懸空石墨烯提供了純凈的等離激元環境，其品質因子高達33，對應的傳輸距離超過3 μm。這是室溫下目前報道的石墨烯等離激元具有的最高傳輸性能記錄，對比同等條件下氧化硅基底上的石墨烯等離激元性能提升一個數量級以上。此外，該工作發現懸空高度可作為新型等離激元原位調制手段，可顯著調節等離激元波長、傳輸距離和群/相速度等性能。科研團隊利用這種調控優勢，開發出一種新型等離激元開關器件，其電磁能流開關比高達14。得益于石墨烯的電學可調性質，這種新型等離激元開關可以通過柵極電壓調控。懸空石墨烯等離激元兼具長傳輸距離、高可調諧性和可控的能量傳輸的優異性能，這為其將來在信息光子器件中的諸多應用奠定了良好的基礎。
圖2.a、直徑15微米懸空石墨烯的原子力顯微鏡成像的高度圖，左上角插圖是對應光學顯微鏡照片；b、圓形孔上懸空石墨烯的近場光學成像圖，同心波紋反映了傳輸的等離激元電場振幅信息
懸空結構也為探索其他范德華材料支持的極化激元提供了新平臺，如聲子極化波、激子極化波和磁極化波等。探究懸空二維材料豐富極化激元的基本性質和使用性能的調控規律，能夠避免基底的各種散射和極化影響，從而保持其本征的物理性質和高品質的傳輸性能，并為將來構筑新型納米光子學器件提供新的思路和選擇。
圖3.a、懸空石墨烯等離激元能流開關器件的示意圖，b、不同氣體壓力下原位調控石墨烯的懸空高度，c、不同懸空高度下等離激元的傳輸電場分布，d、等離激元通過懸空界面的能流開關比
相關研究成果發表在《自然·通訊》（Nature communications）上。研究工作得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、國家自然科學基金、中科院人才項目及中科院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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