声学石墨烯等离激元的研究预示光电学的改进

韩国高等科学技术研究所（KAIST）的研究人员与国内外合作者共同展示了声学石墨烯等离激元的近场光学成像。他们利用灵敏的散射式扫描近场光学显微镜（S-SNOM）直接测量在纳米厚度波导中传播的AGP波的光场。该方法使科学家能够将可视化的中红外光压缩一千倍。研究人员说，这一方案为声学石墨烯等离子体激元的实际应用铺平了道路，它将用于下一代高性能、基于石墨烯的光电子器件，这一方案增强了光物质相互作用并降低了传播损失。

石墨烯等离子体激元是石墨烯中自由电子的集体振荡，与光的电磁波耦合在一起。电子振荡可以在非常薄的介电层中被捕获，并且压缩光波。将石墨烯与金属板分离出来，在石墨烯中传导的电子被"反射"在金属系统中，这样当光波将石墨烯中的电子"推"出时，它们在金属中的镜像电荷也会振荡。这种现象被称为AGP。

激光照明的纳米尖端激发石墨烯和金/氧化铝中间层中的声学石墨烯等离子体激元。Min Seok Jang, KAIST供图。

以前，AGP只能通过远场红外光谱和光电流成像图等间接方法进行观测。科学家普遍认为，器件外电磁场的强度不足以进行直接近场光学成像。新方法利用了石墨烯上方的电场虽然在衰变但始终存在的特性。结果表明，即使AGPs的大部分能量流在石墨烯下方的介电层中，AGPs也可被检测到。这是由于纳米波导内存在超平整表面，等离子体激元波能够在较远的距离传播。明尼苏达大学（University of Minnesota）教授Sang-Hyun Oh和博士后研究员In-Ho Lee使用模板剥离的方法创建了超平滑纳米结构。松云湾大学（Sungkyunkwan University）基础科学研究所综合纳米结构物理中心的Young Hee Lee和他的团队合成了拥有单晶结构的石墨烯。

这项工作对改进化学传感检测具有重要的意义，因为有机分子的特性可以根据中红外光谱中的吸收特征进行检测和评估。然而，传统的检测方法需要大量的分子才能发挥最佳作用。超压缩AGP场可以在微观层面上提供强大的光物质相互作用，并将检测的灵敏度提高到单个分子。这项研究由KAIST教授Min Seok Jang和他的团队主导，他们进一步证明中红外AGPs在石墨烯中损失的敏感度较低，因为他们的领域大多局限于介电范围内。结果表明，AGPs是一个潜在的平台，用于电学调控的石墨烯光电子器件，这种器件在石墨烯中通常具有较高的吸收率，例如激元表面、光学开关、太阳能电池和其它以红外波段运行的光电子应用。这项研究发表在《Nature Communications》上(www.doi.org/10.1038/s41467-021-21193-5)。