澳大利亚三所大学的研究人员合作开发了一种吸光器件

来自澳大利亚三所大学的研究人员合作开发了一种吸光器件，这种器件使用一种新型石墨烯基薄膜，可以吸收在60度角范围内的非偏振入射光。

在阳光照射下的开放环境中，这种90纳米超薄超材料可以迅速升温到高达160摄氏度。研究人员认为，这种新型光学材料的特性使其适用于多种用途，包括海水淡化、彩色显示器、光电探测器和用于通信设备的光学元件。

 

原型超薄石墨烯基吸光膜。

斯威本科技大学（位于澳大利亚墨尔本）微光子学中心的高级研究员Han Lin说：“石墨烯具有独特的性质。它可以吸收从紫外到微波的任何波长的光。” 他说，其他吸收物，包括各种工程超材料，相比之下都有缺点。“例如，碳纳米管厚度达数十至数百微米，这会阻碍设备集成。”

Lin作为第一作者，在本月出版的《自然·光子学》（Nature Photonics）期刊上发表了一篇关于该原型器件的论文（论文标题为“A 90-nm-thick graphene metamaterial for strong and extremely broadband absorption of unpolarized light”）。他指出，已有一些利用多层结构制造实用石墨烯吸光器件的尝试，但那些方法仅限于单偏振，而事实证明制造出它们是困难的。

“另一方面，我们用新型石墨烯薄膜制造的器件对偏振不敏感。”他说。“这是因为它的构造是为了降低有效介电常数以实现横电（TE）和横磁（TM）极化的吸收。制造起来也很简单。”

来自斯威本科技大学、悉尼大学和澳大利亚国立大学的 8名研究人员合作开发了一种实验性的2.5 cm × 5 cm原型器件，该器件采用石墨烯基薄膜，对非偏振光的吸收率约为85％。通过制造一系列超材料层，部分地实现了高吸收率。 

鉴于单层石墨烯的光吸收率仅为2.3％，采用多层结构是必要的。然而，创建这样的结构并防止石墨烯转变为石墨及失去其重要特性，被证明是一个挑战。他们通过将石墨烯层与聚合物介电层分离来克服了这个挑战。

采用物理气相沉积法制备了由200纳米银镜（用于将光反射回到器件中）和80纳米厚的氧化硅隔离层组成的柔性基板。然后，利用湿化学自组装技术将石墨烯基超材料附接上去，其中利用静电力交替沉积带正电荷的聚合物介电层和带负电荷的石墨烯氧化物（GO）层。

“我们先在基板上附着一层聚合物，然后再附着一层GO。”斯威本科技大学光纳米材料相互作用研究小组的研究负责人Jiahua Jia教授说。“然后是另一层聚合物和另一层GO，以此类推。正电荷-负电荷、正电荷-负电荷薄膜交替出现。它们相互吸引，所以材料可以自组装。”

使用该技术将30层左右的石墨烯氧化物堆叠起来，以最大限度地吸光。Jia解释说：“我们所做的只是将基板浸到石墨烯氧化物溶液中，膜层就会自动生成。使用这种方法，我们不仅可以以纳米级精度控制薄膜的厚度，还可以控制薄膜的均匀性。这不需要特殊的设备，简单又便宜。”

然后用飞秒激光束对超材料进行切割处理，激光束会去除一些超材料，在所得截面周围创建出一个空气凹槽的光栅结构。激光束还将GO层转化为类石墨烯物质，石墨烯氧化物中的氧几乎完全被去除，而且GO层的厚度减小到约1纳米。

光栅结构将射到器件侧面的入射光变为沿表面向两个方向传播的波导TE和TM模式。“这种结构增加了光的吸收量，是我们实现85％吸收率的关键。”Lin说。 

基于石墨烯的超薄吸光膜的热影像。图片来源：斯威本科技大学。

此外，超薄设计减少了材料的用量，使其能够迅速升温。“这就是该器件可以在30秒内从30摄氏度升温到150摄氏度的原因。”他说。此外，超薄的特性使得热可以很容易地从超材料传递到需要加热的物质（如水），因此可以用于如淡化海水等用途。

Lin指出，研究人员对已得到的结果相当满意，并将继续进行一些额外的优化。“我们现在已经取得了良好的平衡，所以我们正在寻求与业界合作来打造相关应用。”他解释道。该研究团队已经与一家公司合作来制造一台机器，以规模化石墨烯多膜层制备工艺。

至于商业化，Jia说：“两到三年是一个合理的时间。但我们认为可能会更快实现。”

原型超薄石墨烯基吸光膜。