声学石墨烯等离子体研究为光电应用铺平了道路

KAIST研究人员及其国内外合作者成功展示了一种用于声学石墨烯等离子体场直接近场光学成像的新方法。该策略将为声学石墨烯等离子体平台在下一代高性能、基于石墨烯的光电器件中的实际应用提供突破，该器件具有增强的光物质相互作用和更低的传播损耗。

最近证明，石墨烯等离子体，即石墨烯中自由电子与光的电磁波耦合的集体振荡，可用于在将石墨烯与金属片分开的非常薄的介电层内捕获和压缩光波。在这样的配置中，石墨烯的传导电子在金属中被“反射”，所以当光波“推动”石墨烯中的电子时，它们在金属中的镜像电荷也开始振荡。这种新型的集体电子振荡模式被称为“声学石墨烯等离子体(AGP)”。

以前只能通过远场红外光谱和光电流映射等间接方法观察到 AGP 的存在。这种间接观察是研究人员必须为纳米薄结构内的光波强压缩付出的代价。据信，设备外部的电磁场强度不足以进行 AGP 的直接近场光学成像。

受到这些限制的挑战，三个研究小组共同努力，使用先进的纳米制造方法将独特的实验技术结合在一起。他们的研究结果于 2 月 19 日发表在《自然通讯》上。

由电气工程学院 Min Seok Jang 教授领导的 KAIST 研究小组使用高灵敏度散射型扫描近场光学显微镜 (s-SNOM) 直接测量以纳米级厚度传播的 AGP 波的光场波导，首次可视化中红外光的千倍压缩。

Jang 教授和他的团队的博士后研究员 Sergey G. Menabde 通过利用 AGP 波快速衰减但始终存在于石墨烯上方的电场，成功获得了 AGP 波的直接图像。他们表明，即使 AGP 的大部分能量在石墨烯下方的电介质内流动，也可以检测到。

由于纳米波导内部的超光滑表面，等离子体波可以在更长的距离传播，这成为可能。与类似条件下的石墨烯表面等离子激元相比，研究人员探测的 AGPmode 受限高达 2.3 倍，并且在归一化传播长度方面表现出高 1.4 倍的品质因数。

实验中使用的波导的这些超光滑纳米结构是由 Sang-Hyun Oh 教授和博士后研究员 In-Ho Lee 使用模板剥离方法创建的明尼苏达州。

成均馆大学基础科学研究所(IBS)综合纳米结构物理中心(CINAP)的Young Hee Lee教授和他的研究人员合成了具有单晶结构的石墨烯，这种高质量、大面积的石墨烯使低-损失等离子体传播。

许多重要有机分子的化学和物理特性可以通过它们在中红外光谱中的吸收特征进行检测和评估。然而，传统检测方法需要大量分子才能成功检测，而超压缩AGP场可以在微观层面提供强光物质相互作用，从而显着提高检测灵敏度到单个分子。

此外，Jang 教授和团队进行的研究表明，中红外 AGP 本质上对石墨烯中的损耗不太敏感，因为它们的场主要限于电介质内。研究小组报告的结果表明，AGP 可以成为电可调石墨烯基光电器件的有前途的平台，这些光电器件通常在石墨烯中具有较高的吸收率，例如超表面、光开关、光伏器件和其他在红外频率下工作的光电应用。

Jang 教授说：“我们的研究表明，声学石墨烯等离子体的超压缩电磁场可以通过近场光学显微镜方法直接访问。我希望这一认识将激励其他研究人员将 AGPs 应用于强光物质的各种问题。需要相互作用和更低的传播损耗。”

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