石墨烯(graphene)是一种由碳原子构成的单层蜂窝晶格结构的二维材料，因其具有高电子迁移率，高热导率以及光催化等特性，受到科学界的广泛关注。在可见光和近红外波段，它几乎完全透明，光垂直入射下，均匀的单层石墨烯只吸收2.3%的光。可见光和近红外波段固有的低吸收率，限制了石墨烯在光电器件上的应用。

近日，北京大学物理学院朱星教授团队的方哲宇百人计划研究员和美国Rice大学Halas教授合作，在BaF2-In：In2O3衬底上加工制备了石墨烯纳米圆盘阵列，可以有效的增强石墨烯在中红外波段的光吸收，使吸收率从低于3%增加到30%。并且，通过改变纳米圆盘的尺寸和间隔，以及施加在衬底和旋涂在石墨烯表面的离子凝胶间的电压改变石墨烯载流子浓度、提高电子的费米能级，可以显著地影响石墨烯的吸收率。这种吸收增强效应，主要来自于三部分的贡献：一是载流子密度效应，掺杂的石墨烯打开了一个光子带隙，可以有效地激发等离激元，而不是电子空穴对（Landau damping）；二是石墨烯电子与光子耦合产生的局域表面等离激元共振；三是石墨烯纳米圆盘之间辐射场的耦合，增强了吸收。最后，通过增加金属反射膜可以使原来单层石墨烯的吸收增强一倍。这项研究成果，显示了纳米石墨烯阵列的光吸收增强和可调特性，揭示了其在光电器件中潜在的应用价值。

相关成果最近发表在《Nano Letters》上（http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/nl404042h）。

左图：实验测量的器件示意图。单层石墨烯转移到In:In2O3/BaF2衬底上之后用电子束曝光加工出图形，接着在石墨烯纳米结构表面旋涂离子凝胶，最后在顶部加工Au接触电极。离子凝胶层厚度为100nm，In:In2O3厚度为20 nm.。

右图：FTIR测量的石墨烯纳米圆盘阵列（费米能级从0.2至0.8eV）的透射和吸收。

以上研究工作得到国家自然科学基金、国家重大科学研究计划(973)、人工微结构与介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心等相关项目的资助。

编辑：拉丁

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