來自澳大利亞三所大學的研究人員合作開發(fā)了一種吸光器件，這種器件使用一種新型石墨烯基薄膜，可以吸收在60度角范圍內(nèi)的非偏振入射光。

在陽光照射下的開放環(huán)境中，這種90納米超薄超材料可以迅速升溫到高達160攝氏度。研究人員認為，這種新型光學材料的特性使其適用于多種用途，包括海水淡化、彩色顯示器、光電探測器和用于通信設(shè)備的光學元件。

原型超薄石墨烯基吸光膜。

斯威本科技大學（位于澳大利亞墨爾本）微光子學中心的高級研究員Han Lin說：“石墨烯具有獨特的性質(zhì)。它可以吸收從紫外到微波的任何波長的光。”他說，其他吸收物，包括各種工程超材料，相比之下都有缺點。“例如，碳納米管厚度達數(shù)十至數(shù)百微米，這會阻礙設(shè)備集成。”

Lin作為第一作者，在本月出版的《自然·光子學》（Nature Photonics）期刊上發(fā)表了一篇關(guān)于該原型器件的論文（論文標題為“A 90-nm-thick graphene metamaterial for strong and extremely broadband absorption of unpolarized light”）。他指出，已有一些利用多層結(jié)構(gòu)制造實用石墨烯吸光器件的嘗試，但那些方法僅限于單偏振，而事實證明制造出它們是困難的。

“另一方面，我們用新型石墨烯薄膜制造的器件對偏振不敏感?！彼f?！斑@是因為它的構(gòu)造是為了降低有效介電常數(shù)以實現(xiàn)橫電（TE）和橫磁（TM）極化的吸收。制造起來也很簡單。”

來自斯威本科技大學、悉尼大學和澳大利亞國立大學的8名研究人員合作開發(fā)了一種實驗性的2.5 cm ×5 cm原型器件，該器件采用石墨烯基薄膜，對非偏振光的吸收率約為85％。通過制造一系列超材料層，部分地實現(xiàn)了高吸收率。

鑒于單層石墨烯的光吸收率僅為2.3％，采用多層結(jié)構(gòu)是必要的。然而，創(chuàng)建這樣的結(jié)構(gòu)并防止石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)槭笆テ渲匾匦?，被證明是一個挑戰(zhàn)。他們通過將石墨烯層與聚合物介電層分離來克服了這個挑戰(zhàn)。

采用物理氣相沉積法制備了由200納米銀鏡（用于將光反射回到器件中）和80納米厚的氧化硅隔離層組成的柔性基板。然后，利用濕化學自組裝技術(shù)將石墨烯基超材料附接上去，其中利用靜電力交替沉積帶正電荷的聚合物介電層和帶負電荷的石墨烯氧化物（GO）層。

“我們先在基板上附著一層聚合物，然后再附著一層GO?！彼雇究萍即髮W光納米材料相互作用研究小組的研究負責人Jiahua Jia教授說?！叭缓笫橇硪粚泳酆衔锖土硪粚覩O，以此類推。正電荷-負電荷、正電荷-負電荷薄膜交替出現(xiàn)。它們相互吸引，所以材料可以自組裝?！?/p>

使用該技術(shù)將30層左右的石墨烯氧化物堆疊起來，以最大限度地吸光。Jia解釋說：“我們所做的只是將基板浸到石墨烯氧化物溶液中，膜層就會自動生成。使用這種方法，我們不僅可以以納米級精度控制薄膜的厚度，還可以控制薄膜的均勻性。這不需要特殊的設(shè)備，簡單又便宜。”

然后用飛秒激光束對超材料進行切割處理，激光束會去除一些超材料，在所得截面周圍創(chuàng)建出一個空氣凹槽的光柵結(jié)構(gòu)。激光束還將GO層轉(zhuǎn)化為類石墨烯物質(zhì)，石墨烯氧化物中的氧幾乎完全被去除，而且GO層的厚度減小到約1納米。

光柵結(jié)構(gòu)將射到器件側(cè)面的入射光變?yōu)檠乇砻嫦騼蓚€方向傳播的波導(dǎo)TE和TM模式。“這種結(jié)構(gòu)增加了光的吸收量，是我們實現(xiàn)85％吸收率的關(guān)鍵?！盠in說。

基于石墨烯的超薄吸光膜的熱影像。圖片來源：斯威本科技大學。

此外，超薄設(shè)計減少了材料的用量，使其能夠迅速升溫。“這就是該器件可以在30秒內(nèi)從30攝氏度升溫到150攝氏度的原因。”他說。此外，超薄的特性使得熱可以很容易地從超材料傳遞到需要加熱的物質(zhì)（如水），因此可以用于如淡化海水等用途。

Lin指出，研究人員對已得到的結(jié)果相當滿意，并將繼續(xù)進行一些額外的優(yōu)化?！拔覀儸F(xiàn)在已經(jīng)取得了良好的平衡，所以我們正在尋求與業(yè)界合作來打造相關(guān)應(yīng)用?！彼忉尩?。該研究團隊已經(jīng)與一家公司合作來制造一臺機器，以規(guī)模化石墨烯多膜層制備工藝。

至于商業(yè)化，Jia說：“兩到三年是一個合理的時間。但我們認為可能會更快實現(xiàn)?！?/p>

原型超薄石墨烯基吸光膜。