來(lái)自澳大利亞三所大學(xué)的研究人員合作開(kāi)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(yáng)光照射下的開(kāi)放環(huán)境中,這種90納米超薄超材料可以迅速升溫到高達(dá)160攝氏度。研究人員認(rèn)為,這種新型光學(xué)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(cè)器和用于通信設(shè)備的光學(xué)元件。
原型超薄石墨烯基吸光膜。
斯威本科技大學(xué)(位于澳大利亞墨爾本)微光子學(xué)中心的高級(jí)研究員Han Lin說(shuō):“石墨烯具有獨(dú)特的性質(zhì)。它可以吸收從紫外到微波的任何波長(zhǎng)的光?!彼f(shuō),其他吸收物,包括各種工程超材料,相比之下都有缺點(diǎn)?!袄?,碳納米管厚度達(dá)數(shù)十至數(shù)百微米,這會(huì)阻礙設(shè)備集成?!?/p>
Lin作為第一作者,在本月出版的《自然·光子學(xué)》(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(biāo)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(shí)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(shí)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(duì)偏振不敏感?!彼f(shuō)?!斑@是因?yàn)樗臉?gòu)造是為了降低有效介電常數(shù)以實(shí)現(xiàn)橫電(TE)和橫磁(TM)極化的吸收。制造起來(lái)也很簡(jiǎn)單。”
來(lái)自斯威本科技大學(xué)、悉尼大學(xué)和澳大利亞國(guó)立大學(xué)的8名研究人員合作開(kāi)發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)性的2.5 cm ×5 cm原型器件,該器件采用石墨烯基薄膜,對(duì)非偏振光的吸收率約為85%。通過(guò)制造一系列超材料層,部分地實(shí)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)槭笆テ渲匾匦裕蛔C明是一個(gè)挑戰(zhàn)。他們通過(guò)將石墨烯層與聚合物介電層分離來(lái)克服了這個(gè)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(xué)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(fù)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(xué)光納米材料相互作用研究小組的研究負(fù)責(zé)人Jiahua Jia教授說(shuō)?!叭缓笫橇硪粚泳酆衔锖土硪粚覩O,以此類推。正電荷-負(fù)電荷、正電荷-負(fù)電荷薄膜交替出現(xiàn)。它們相互吸引,所以材料可以自組裝。”
使用該技術(shù)將30層左右的石墨烯氧化物堆疊起來(lái),以最大限度地吸光。Jia解釋說(shuō):“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(huì)自動(dòng)生成。使用這種方法,我們不僅可以以納米級(jí)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(jiǎn)單又便宜。”
然后用飛秒激光束對(duì)超材料進(jìn)行切割處理,激光束會(huì)去除一些超材料,在所得截面周圍創(chuàng)建出一個(gè)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€(gè)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(shí)現(xiàn)85%吸收率的關(guān)鍵?!盠in說(shuō)。
基于石墨烯的超薄吸光膜的熱影像。圖片來(lái)源:斯威本科技大學(xué)。
此外,超薄設(shè)計(jì)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?!彼f(shuō)。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(duì)已得到的結(jié)果相當(dāng)滿意,并將繼續(xù)進(jìn)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(lái)打造相關(guān)應(yīng)用?!彼忉尩?。該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與一家公司合作來(lái)制造一臺(tái)機(jī)器,以規(guī)?;┒嗄又苽涔に?。
至于商業(yè)化,Jia說(shuō):“兩到三年是一個(gè)合理的時(shí)間。但我們認(rèn)為可能會(huì)更快實(shí)現(xiàn)。”
原型超薄石墨烯基吸光膜。
-
探測(cè)器
+關(guān)注
關(guān)注
14文章
2595瀏覽量
72799 -
石墨烯
+關(guān)注
關(guān)注
54文章
1537瀏覽量
79344 -
器件
+關(guān)注
關(guān)注
4文章
301瀏覽量
27754
原文標(biāo)題:澳大利亞研究人員開(kāi)發(fā)出石墨烯基超薄吸光膜 數(shù)秒內(nèi)可升溫到160攝氏度
文章出處:【微信號(hào):IEEE_China,微信公眾號(hào):IEEE電氣電子工程師】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論