莫斯科物理和技术研究所 信用:达里娅·索科尔/MIPT 来自MIPT和俄罗斯弗拉迪米尔州立大学的物理学家已经在石墨烯上将光能转换成表面波，效率接近90%
他们依靠类似激光的能量转换方案和集体共振
这篇论文发表在《激光与光子学评论》上
在纳米尺度上操纵光是一项关键的任务，因为它能够制造用于光能转换和存储的超小型器件
为了在如此小的范围内定位光，研究人员将光辐射转换成所谓的表面等离子体激元
这些SPPs是沿着两种折射率截然不同的材料之间的界面传播的振荡——具体地说，是金属和电介质或空气
根据所选材料的不同，表面波的局域化程度也不同
因为这种二维材料有很高的折射率，所以在只有一个原子层厚的材料上，光最强
现有的将光转换成二维表面上的SPPs的方案具有不超过10%的效率
通过使用中间信号转换器——各种化学成分和几何形状的纳米物体——有可能改善这个数字
《激光与光子学评论》最近的研究中使用的中间转换器是半导体量子点，其尺寸为5至100纳米，成分与制造它们的固体半导体相似
也就是说，量子点的光学性质随其尺寸变化很大
因此，通过改变它的尺寸，研究人员可以将其调整到感兴趣的光学波长
如果用自然光照射不同大小的量子点，每个量子点都会对特定的波长做出反应
量子点有各种形状——圆柱形、金字塔形、球形等
—以及不同的化学成分
在这项研究中，俄罗斯研究小组使用了直径为40纳米的椭圆形量子点
这些点充当位于石墨烯表面上方的散射体，石墨烯表面被波长为1
55微米
几纳米厚的电介质缓冲层将石墨烯片与量子点隔开
用量子点作为散射体的想法并不新鲜
以前的一些石墨烯研究使用了类似的排列，点位于二维薄片上方，与光和两种过程共享的相同波长的表面电磁波相互作用
这是通过选择一个完全正确的量子点尺寸来实现的
虽然这种系统很容易调谐到共振，但它容易受到发光猝灭(入射光能转化为热能)以及反向光散射的影响
结果，SPP产生的效率没有超过10%
“我们研究了一种方案，其中位于石墨烯上方的量子点与入射光和表面电磁波相互作用，但这两种相互作用的频率不同
该点与波长为1的光相互作用
55微米，表面等离子激元在3
5微米
这项研究的合著者阿列克谢·普罗霍罗夫说，他是MIPT光子学和二维材料中心的高级研究员，也是弗拉迪米尔州立大学的副教授
研究中使用的将激光转换成表面等离子体激元的结构
/激光& amp光子学评论 混合交互方案的本质是，不仅仅使用两个能级——上能级和下能级——该装置还包括一个中间能级
也就是说，研究小组使用了一种类似激光的能量结构
中间能级用于实现量子点和表面电磁波之间的强连接
量子点在照射它的激光波长下受到激发，而表面波在由SPP-量子点共振确定的波长下产生
“我们已经研究了一系列制造量子点的材料，以及各种类型的石墨烯，”普罗霍罗夫解释道
“除了纯石墨烯，还有所谓的掺杂石墨烯，它结合了元素周期表中相邻基团的元素
石墨烯的化学势因掺杂种类而异
我们优化了量子点的参数——它的化学性质、几何形状——以及石墨烯的类型，以便最大化光能转化为表面等离子体激元的效率
最终，我们选定掺杂石墨烯和锑化铟作为量子点材料
" 尽管通过量子点媒介向石墨烯中输入了高效的能量，但产生的波的强度极低
因此，必须在石墨烯层上方的特定排列中使用大量的点
研究人员必须精确地找到正确的几何形状，即点与点之间的完美距离，以确保由于每个点的近场相位而导致的信号放大
在他们的研究中，该团队报告发现了这样一种几何形状，并测量了石墨烯中的信号，该信号比随机排列的量子点强几个数量级
在随后的计算中，物理学家使用了自己开发的软件模块
新提出方案的计算转换效率高达90%-95%
即使考虑到所有可能影响这一品质因数的潜在负面因素，它仍将保持在50%以上——比任何其他竞争系统高出几倍
MIPT光子学和二维材料中心主任瓦伦廷·沃尔科夫是这项研究的合著者，他说:“这类研究的很大一部分集中在创造超紧凑的装置上，能够在非常小的空间范围内高效率地将光能转换成表面等离子体激元，从而将光能记录到某种结构中。”
“此外，你可以积累极化子，有可能设计出由几个原子层组成的超薄电池
在类似于太阳能电池的光能转换器中使用这种效应是可能的，但是效率要高几倍
另一个有前途的应用是纳米和生物目标检测
"
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