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石墨烯的基本光子學性質

鉅大LARGE  |  點擊量:2506次  |  2018年06月24日  

憑借著獨特的晶體結構和優異的電子學性能,石墨烯讓它的發現者A.K.Geim和K.S.Novoselov榮膺2010年度諾貝爾物理學獎。

然而具有完美二維晶體結構的石墨烯所擁有的不僅僅是最高可達10e6cm2/V?s的載荷子遷移率,表面可以彎曲但卻比鉆石還要高的強度,和高達5300W/m?K的導熱系數,其獨特的光學性質也正在吸引著越來越多研究者的目光。

石墨烯材料特有的光子和光電子學性質可以歸納為以下幾點:

1)石墨烯中的狄拉克電子在狄拉克點附近呈現線性能量-動量色散關系,這使得石墨烯對在紫外-可見-紅外區域的超寬帶光譜范圍里任何頻率的光子都具有共振的光學響應;

2)單層石墨烯的線性光學吸收不依賴于光頻率,它對任何波長的低強度光波都具有嚴格的π?α≈2.3%的吸收率(α為精細結構常數)且總吸收率正比于石墨烯層數,這也使得只有一個碳原子厚度的石墨烯單層也是肉眼可見的;

3)超快的載流子-載流子和載流子-聲子碰撞散射使得石墨烯具有超快的載流子弛豫動力學過程。在超短脈沖激發下,其帶內熱平衡弛豫時間約100飛秒,帶間躍遷弛豫時間約幾個皮秒;

4)石墨烯具有優秀的非線性光學性質,在不同條件下,石墨烯材料擁有顯著的非線性散射、雙光子吸收、激發態吸收和飽和吸收性能,其非線性磁化率|χ(3)|可達10e-7esu,也可產生二次諧波;

5)氧化石墨烯在石墨烯sp2雜化碳原子二維網格基礎上產生了sp2和sp3雜化碳原子混合的結構,其中被分立的納米尺度sp2雜化碳原子區域使得原本零帶隙的石墨烯產生了一個帶隙,帶隙寬度決定于sp2區域的大小,形狀及所占比例等因素。這個有限寬度的帶隙讓氧化石墨烯具有優良的可調諧光致發光和電致發光性質。

這些特有的光學屬性讓石墨烯及其衍生材料在開發透明電極、光伏電池、發光器件、光電探測器、激光鎖模器、光開關、激光防護設備、生物傳感器等光電器件方面呈現出特別的優勢和巨大的潛力。

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