科技日報記者 陸成寬
等離激元是極化激元的一種，它是由入射光激發的沿材料表面傳播的光子和電子混合諧振的電磁模式，也是納米光子學材料中存在的一種獨特的物理現象。它能夠突破衍射極限，從而有望實現納米級片內互聯。與傳統的金、銀等金屬材料相比，新型二維材料石墨烯具有單原子層的厚度、狄拉克電子特性和高載流子遷移率的特點，其支持的等離激元具有更高的波長壓縮比和靜電可調的優勢，因此成為近年來研究的熱點。2011年首次實驗觀測以來，石墨烯等離激元已經在納米波導、電調激光器和分子傳感器等方向展示巨大應用潛力。
然而，石墨烯二維材料的特性使其對周圍的介質環境異常敏感，諸多因素使其傳輸性能受到影響，阻礙其進一步應用于光電集成器件。研究表明，除了自身的熱聲子散射，基底的雜質、聚集電荷散射，聲子散射，以及介電環境的極化都會對石墨烯等離激元產生損耗，降低其品質因子和傳輸距離。如何突破介電環境對等離激元的性能限制，實現高品質、長傳輸的石墨烯等離激元性能，已經成為石墨烯等離激元邁向功能化應用發展中迫切需要解決的關鍵問題。
近日，中國科學院國家納米科學中心戴慶研究員團隊與其他研究人員合作，進一步在懸空石墨烯結構獲得高質量的本征等離激元，解決了基底引入的額外損耗和限制調控等問題。相關研究成果發表在《自然·通訊》上。
研究發現，懸空石墨烯提供了純凈的等離激元環境，其品質因子高達33，對應的傳輸距離超過3微米。這是目前報道的室溫下石墨烯等離激元具有的最高傳輸性能記錄，對比同等條件下氧化硅基底上的石墨烯等離激元性能提升一個數量級以上。
此外，該工作發現懸空高度可作為新型等離激元原位調制手段，可顯著調節等離激元波長、傳輸距離和群/相速度等性能。科研團隊利用這種調控優勢，開發出一種新型等離激元開關器件，其電磁能流開關比高達14。得益于石墨烯的電學可調性質，這種新型等離激元開關可以通過柵極電壓進行調控。
懸空石墨烯等離激元兼具長傳輸距離、高可調諧性和可控的能量傳輸的優異性能，這為其將來在信息光子器件中的諸多應用奠定了良好的基礎。懸空結構也為探索其他范德華材料支持的極化激元提供了新平臺，如聲子極化波、激子極化波和磁極化波等。探究懸空二維材料豐富極化激元的基本性質和使用性能的調控規律，能夠避免基底的各種散射和極化影響，從而保持其本征的物理性質和高品質的傳輸性能，并為將來構筑新型納米光子學器件提供新的思路和選擇。
關鍵詞： 等離激元
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