声石墨烯等离子的突破为光电子应用铺平了道路

激光照射的纳米尖端激发了石墨烯与金/氧化铝之间的层中的声石墨烯等离子体激元。

使用高度敏感的散射型扫描近场光学显微镜捕获的中红外光波压缩了1000倍的第一张图像。

KAIST的研究人员及其国内外合作者已成功展示了一种用于石墨烯等离子体激元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激元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-物质相互作用和较低的传播损耗。

最近的研究表明，“石墨烯等离子体激元”（石墨烯中自由电子的集体振荡与光的电磁波耦合）可用于捕获和压缩将石墨烯与金属薄板隔开的非常薄的介电层内部的光波。在这种配置中，石墨烯的传导电子在金属中被“反射”，因此当光波“推动”石墨烯中的电子时，它们在金属中的图像电荷也开始振荡。这种新型的集体电子振荡模式称为“声学石墨烯等离子体激元（AGP）”。

以前只能通过间接方法（例如远场红外光谱法和光电流测绘）观察到AGP的存在。这种间接的观察是研究人员必须为纳米薄结构内部的光波的强烈压缩付出的代价。可以相信，设备外部的电磁场强度不足以对AGP进行直接近场光学成像。

受到这些局限性的挑战，三个研究小组共同努力，采用先进的纳米加工方法将独特的实验技术整合在一起。他们的发现发表在自然通讯上。

博士后研究员Sergey G. Menabde（左）和Min Seok Jang教授（右）。

由电气工程学院的Min Seok Jang教授领导的KAIST研究团队使用高灵敏的散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）直接测量在纳米厚度范围内传播的AGP波的光场。波导，首次可视化中红外光的千倍压缩。

Jang教授和他的小组的博士后研究员Sergey G. Menabde通过利用AGP波快速衰减但始终在石墨烯上方存在的电场，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部流动，也可以检测到。

由于纳米波导内部的超光滑表面，等离子波可以在更长的距离内传播，因此这成为可能。研究人员探测到的AGP模式与石墨烯表面等离子体激元相比，在类似条件下的局限性传播长度，其限制范围高出2.3倍，并且表现出的优点p值高出1.4倍。

实验中使用的波导的这些超光滑纳米结构是由吴尚-教授和美国大学电气与计算机工程系的博士后研究员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）集成纳米结构物理中心（CINAP）的Young Hee Lee教授及其研究人员合成了具有单晶结构的石墨烯，这种高质量，大面积的石墨烯可实现低损失等离激元传播。

许多重要的有机分子的化学和物理性质可以通过其在中红外光谱中的吸收特征来检测和评估。但是，常规检测方法需要大量分子才能成功检测，而超压缩AGP场则可以在微观水平上提供强大的光-物质相互作用，从而显着提高了单个分子的检测灵敏度。

此外，Jang教授及其团队进行的研究表明，中红外AGP本质上对石墨烯的损失较不敏感，因为它们的电场主要局限在电介质中。研究小组的报告结果表明，AGP可能成为基于电可调谐石墨烯的光电器件的有前途的平台，这些器件通常在石墨烯中吸收率较高，例如超颖表面，光开关，光伏以及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，可以通过近场光学显微镜方法直接访问声石墨烯等离子体激元的超压缩电磁场。我希望这种认识将激励其他研究人员将AGP应用到需要强光物质相互作用和较低传播损耗的各种问题中。”

参考：Sergey G.Menabde，In-Ho Lee，Sanghyub Lee，Heonhak Ha，Jacob T.Heiden，Daehan Yoo，Teun-Teun Kim，Tony Low，李英熙，吴尚贤和闵锡章，2021年2月19日，自然通讯。DOI：
10.1038 / s41467-021-21193-5

这项研究主要由三星电子的三星研究资助与孵化中心资助。韩国国家研究基金会（NRF），美国国家科学基金会（NSF），三星全球研究推广（GRO）计划和韩国基础科学研究所（IBS）也支持了这项工作。