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IBM展示THz級的石墨烯光電元件

上網時間: 2012年04月24日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:石墨烯  紅外線  光子  絕緣體  超晶格 

石墨烯由於可被製造成導體、半導體和絕緣體,因而一直被視為是未來的神奇材料。現在,IBM公司還為石墨烯開啟在光電領域的嶄新應用──透過展示一種可為石墨烯帶來光子特性的石墨烯/絕緣體超晶格,使其可實現達兆赫(terahertz;THz)級頻率的陷波濾波器與線性偏光片等光學元件,有助於在未來擴展至中紅外線和遠紅外線波段的光電設備,如探測器、調變器與 3D 超穎材料應用中。

「除了具有良好的電氣特性以外,石墨烯還具有特殊的光學性質。特別是它能吸收從遠紅外線到紫外線波段的光線,」IBM院士Phaedon Avouris表示。「IBM公司對於THz級頻率範圍特別感興趣,因為這些頻率範圍具有安全應用中所需穿透紙張、木材及其他固體物體的性能。遺憾的是,目前僅能透過偏光和濾波作用等幾種方式來操控THz級波段,但由於石墨烯能在THz級頻率有效運作,我們正專注於開發出這一類的元件。」

THz級頻率振盪作用可由石墨烯透過等離子體進行傳導,以實現低損耗的可調諧濾波器。根據IBM表示,由於單層石墨烯的載子濃度與共振頻率不足,無法用於光電應用中;因此,透過採用多層的石墨烯/絕緣層超晶格,透明的元件可被圖形化印製於光電晶體中,並在各層有效地散佈載子,以強化載子濃度與共振頻率。

「我們發現石墨烯與電磁輻射的互動在THz級範圍時特別強烈,但採用單層石墨烯時的互動仍然不足,」IBM T. J. Watson Research Lab奈米科學與技術部門研究員Hugen Yan表示,「透過採用微碟陣列中的多層堆疊結構,我們可在THz級範圍內實現頻率的可選擇性,讓我們能夠調整所需的共振頻率。」

掃描電子顯微鏡影像:直徑2um微碟(紫色)的5層石墨烯/絕緣體超晶格陣列
掃描電子顯微鏡影像:直徑2um微碟(紫色)的5層石墨烯/絕緣體超晶格陣列

透過石墨烯/絕緣體微碟圖案陣列,IBM發現可經由使用各種不同的微碟尺寸、層數、間距以及摻雜石墨烯層,以調整出所需的共振頻率。經過多次分析,IBM並發現,相較於傳統的半導體超晶格,石墨烯/絕緣體超晶格可根據管理迪拉克費米子(Dirac fermions,如夸克、輕子、重子與強子)的原則,使其具有一種獨特的載子密度微縮規律。

因此,IBM公司已經能夠證明圖形化石墨烯/絕緣體堆疊能夠建置一種具有8.2dB抑制比的廣泛可調諧陷波濾波器,以及具有9.5dB穿透率消光比的THz級線性偏光片。此外,IBM公司還展示這種石墨烯/絕緣體超晶格能夠在低於1.2THz的頻率範圍內避開97.5%的電磁輻射。

未來,該研究小組並計劃調整其石墨烯/絕緣體超晶格,進一步瞄準當今光通訊設備所用的紅外線頻率。

編譯:Susan Hong

(參考原文:IBM demos terahertz graphene photonics,by R. Colin Johnson)





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