全內(nèi)反射下石墨烯的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用.pdf

1、石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成，呈六角型蜂窩晶格的單原子層厚度二維材料。由于其特殊的晶格結(jié)構(gòu)，石墨烯在光學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出了優(yōu)異的性質(zhì)，尤其是在光—石墨烯相互作用方面的研究，結(jié)合石墨烯其他方面的物理性質(zhì)，如柔性、透明、電子輸運特性等，使得其在光存儲、傳感、生物醫(yī)學(xué)、光電探測等諸多領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大應(yīng)用價值。
　　單層石墨烯厚度只有0.34nm，吸收2.3％的光，肉眼看上去幾乎是完全透明的。垂直照射的情況下光與石墨烯相互作

2、用非常弱，因此如何增強光與石墨烯的相互作用，進(jìn)而研究光與石墨烯相互作用規(guī)律，無疑成為了石墨烯光電子學(xué)的突出問題。目前，國際報道的光與石墨烯相互作用方式主要有三種:(1)通過激發(fā)表面等離子體波增強光與石墨烯相互作用;(2)通過在石墨烯上下面增加光學(xué)震蕩腔，使得光能夠多次穿過石墨烯進(jìn)而增強光與石墨烯相互作用;(3)將光引入Si波導(dǎo)中形成多次反射增強光與石墨烯相互作用。這些方法都可以在一定程度上起到增強光與石墨烯相互作用的目的，但是受限于復(fù)雜

3、的納米工藝、高昂的成本、高難度的空間光操作以及特定波長范圍，這些方法在應(yīng)用上很大程度上受到限制。
　　在本論文中，我們通過全內(nèi)反射這一簡單方法，在石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)下成功實現(xiàn)了光與石墨烯相互作用的增強，并且這種增強方式不以犧牲石墨烯寬帶特性(300～2500nm)為代價。同時我們還發(fā)現(xiàn)全內(nèi)反射下石墨烯的偏振依賴效應(yīng)，并且通過調(diào)節(jié)石墨烯層數(shù)、入射角度、介質(zhì)折射率實現(xiàn)了不同偏振態(tài)下石墨烯光學(xué)吸收從0～100％的調(diào)控。值得一提的是，全內(nèi)

4、反射下這些新奇的光與石墨烯相互作用的現(xiàn)象不因石墨烯的獲得方法不同而表現(xiàn)出不同，即無論是機械剝離方法還是化學(xué)氣相沉積方法甚至是化學(xué)還原氧化石墨烯方法獲得的石墨烯都具有上述現(xiàn)象。
　　在接下來的研究中我們發(fā)現(xiàn)，在全內(nèi)反射條件下，光與石墨烯的相互作用對介質(zhì)折射率異常敏感，實驗中我們結(jié)合芯片實驗室(lab-chip)技術(shù)，將折射率傳感應(yīng)用于微流體實時折射率監(jiān)測。我們利用麥克斯韋電磁波理論很好地解釋了石墨烯這一單原子層材料在全內(nèi)反射下表現(xiàn)出

5、的一系列重要的光學(xué)現(xiàn)象。在本論文中，我們將這一系列重要的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在以下方面:
　　1.海量、柔性、多層膜光數(shù)據(jù)存儲。由于石墨烯對不同偏振光的吸收不同，我們將不同偏振的光強信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，沒有石墨烯的地方偏振吸收相同記為“0”，有石墨烯的地方偏振吸收不同記為“1”。這樣，形成“0”和“1”的數(shù)據(jù)存儲模式。實驗結(jié)果顯示在“0”和“1”之間的電壓信號差接近2V，信噪比～100。實驗中，我們使用具有折射率梯度的透明介質(zhì)膜作為緩沖層，進(jìn)

6、而形成多層光數(shù)據(jù)存儲，這種光數(shù)據(jù)存儲方法的出現(xiàn)為海量信息存儲提供一個新的途徑，有望大大增加存儲密度。
　　2.石墨烯超快、實時折射率傳感器。在本論文中，由于光與石墨烯相互作用對介質(zhì)層折射率異常敏感，我們結(jié)合芯片實驗室技術(shù)，通過形成微流體通道/石墨烯傳感層/棱鏡的三明治結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了折射率的超快實時傳感。折射率的傳感范圍可以從1～1.5，響應(yīng)速度可以達(dá)到微秒量級，并且系統(tǒng)具有實時、免標(biāo)記、無損的特點。這為快速變化的流體折射率高靈敏測量