中國粉體網(wǎng)訊 超表面石墨烯是一種厚度小于波長的人工層狀材料，它的金屬結(jié)構(gòu)表面陣列對光學(xué)有著奇異響應(yīng)，但這種奇異的響應(yīng)一旦設(shè)計好了，其性質(zhì)就不發(fā)生變化。
最大的好處就在于它的光學(xué)響應(yīng)可通過施加電壓進(jìn)行很好的調(diào)制，只要往里面填一點電子，它的光學(xué)響應(yīng)、對光的反射率，就會發(fā)生巨大變化。
將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二�！八骸背�石墨烯的方法讓英國的兩位科學(xué)家在2010年獲得了諾貝爾獎。
試想一塊材料，光打上去之后，不按鏡面反射的角度反射回來，而是像舞臺追光燈一樣，想讓光射到什么方向就能自動調(diào)到什么方向，豈不神奇！
最近，復(fù)旦大學(xué)物理系的一項研究就展示了一種由石墨烯相關(guān)結(jié)構(gòu)制成的材料，使這個設(shè)想有可能成為現(xiàn)實，相關(guān)研究報告日前發(fā)表在美國物理學(xué)會權(quán)威期刊《物理評論X》上。
這項研究將很大程度上助推全息光學(xué)器件的應(yīng)用。全息之所以能夠真實成像，就在于全息板、片上每一點都記錄了影像的反射相位。而如果局域每一點都實現(xiàn)相位自由調(diào)控的話，拿光一打，這個全息影像就能夠動起來。沒準(zhǔn)在不久的將來，我們步入電影院，享受一部比3D電影更為炫酷的全息電影。
反射相位動態(tài)可調(diào)
一束正入射的光，通過改變材料的反射相位分布，就可以實現(xiàn)30度出射或80度出射
想得到這種奇特的材料，最關(guān)鍵的技術(shù)，是實現(xiàn)電磁波相位的自由調(diào)控，這既是此項研究最重要的突破，也是光子學(xué)研究中的核心問題。
啥是電磁波的相位？該發(fā)表論文通訊作者之一、“長江學(xué)者”特聘教授周磊對科技日報記者介紹道：“所有的波都有振幅和相位，電磁波也不例外。振幅決定了一支波的最大振動范圍，而相位決定了波的值什么時候大，什么時候小。”它是描述波是否處于波峰、波谷或它們之間某點的一種標(biāo)度。比如一支波當(dāng)其相位為零時，波達(dá)到最大值；相位為90度時，波為零；相位為180度時，波又到達(dá)負(fù)的最大值，如此類推，循環(huán)往復(fù)。
“相位調(diào)控的重要作用在于，如果材料上每一點的反射相位不同，就可以使光打到上面時入射角和反射角不同”，周磊舉例說，比如一束正入射的光，通過改變材料的反射相位分布，就可以實現(xiàn)30度出射或80度出射等等。
事實上，三年前周磊課題組在一項發(fā)表于《自然·材料》的研究中就已實現(xiàn)光反射角度的改變�！暗覀兿惹暗难芯渴撬赖�、被動的，材料一旦做好了就只能讓光以特定角度射出。而用現(xiàn)在新的機(jī)理，每一點的相位理論上都是動態(tài)可調(diào)的，通過相位改變能對光產(chǎn)生不同的干涉效果，按需要打到不同的方向�！�
給點兒電壓，它就“燦爛”
對石墨烯而言，只要往里面填一點電子，它的光學(xué)響應(yīng)、對光的反射率，就會發(fā)生巨大變化
復(fù)旦大學(xué)科研團(tuán)隊是通過什么樣的方式，成功實現(xiàn)對電磁波相位的動態(tài)、大幅調(diào)控呢？他們想到了一個新奇的辦法——通過對石墨烯施加電壓調(diào)節(jié)其吸收，進(jìn)而調(diào)控石墨烯相關(guān)體系的共振特性，使其實現(xiàn)從欠阻尼到過阻尼的共振演化。
一個振子在振動時因遭受空氣阻力而產(chǎn)生能量損耗，振幅隨時間推移越來越小，這就叫振動的阻尼。周磊介紹說：“當(dāng)阻尼很小的時候，對振動的作用很小，這就是‘欠阻尼’振動，這時電磁波的相位會隨著頻率的變化而發(fā)生很大的變化；當(dāng)阻尼很大時，比如將一架小秋千放入一桶油里面，這個秋千可能連一次振動都不做到就停下來了，這種振動模式就叫做‘過阻尼’振動，這時頻率雖然變化，可電磁波相位甚至動都不動，根本就不響應(yīng)�！币簿褪钦f，從欠阻尼到過阻尼的演化過程中，相位也從一個能夠產(chǎn)生很大變化的區(qū)域，一下子到了一個不怎么變的區(qū)域，這就使得相位調(diào)控的范圍可以很大。先前一些只在一個固定的過阻尼或欠阻尼區(qū)域內(nèi)進(jìn)行調(diào)控的研究，能實現(xiàn)的調(diào)控范圍就很小，比如只有30度。“我們的研究原則上能做到360度整個相位全覆蓋�！敝芾诒硎尽�
什么物質(zhì)能有如此靈敏的光學(xué)響應(yīng)，讓研究團(tuán)隊最終制出了神奇的反射材料？答案要從石墨烯中找�！笆┳畲蟮暮锰幘驮谟谒墓鈱W(xué)響應(yīng)可通過施加電壓進(jìn)行很好的調(diào)制。如果一般的銅、金、銀這些金屬，你也可以給它加電壓、填電子，但它里面電子已然數(shù)目異常巨大，往里加個把電子，它‘看不見’，光學(xué)響應(yīng)沒什么變化”，周磊指出，而對石墨烯，只要往里面填一點電子，它的光學(xué)響應(yīng)、對光的反射率，就會發(fā)生巨大變化。其絕對變化不會太大，但相對變化會非常劇烈。所以研究團(tuán)隊想到了用它來和超表面結(jié)合，制成特殊材料。
讓石墨烯與超表面親密接觸
“我們的發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)基于大幅相位調(diào)控的光子器件，打下了堅實的基礎(chǔ)”
周磊向記者介紹：“這項研究由物理系張遠(yuǎn)波課題組和我們共同完成。張遠(yuǎn)波團(tuán)隊在石墨烯研究方面有著深厚的積累，而我們則主攻超表面領(lǐng)域�！�
超表面是一種對光學(xué)有著奇異響應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)表面陣列，但這種奇異的響應(yīng)是動不了的，一旦設(shè)計好了，其性質(zhì)就不發(fā)生變化。
“于是我們就想到用石墨烯把它調(diào)得能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)變化，便與遠(yuǎn)波團(tuán)隊一起合作。兩個課題經(jīng)過三年的攻堅終于取得了這項成果�！敝芾谡f。
不僅能夠動態(tài)調(diào)控，石墨烯與超表面耦合在一起的反射體系，還具有超薄、極小的特點。用傳統(tǒng)液晶及其他半導(dǎo)體材料制成的相位調(diào)制體系的厚度，如果以光的波長為單位來衡量，通常需是波長的很多倍，而石墨烯超表面的厚度則只有十分之一個波長。不僅超薄，在光斑橫向的尺度上，這種新材料也能做到極小。
最后，作為應(yīng)用實例，研究還展示了一個基于石墨烯超表面的太赫茲偏振調(diào)節(jié)器。周磊指出：“太赫茲波段的波長所對應(yīng)的尺度大概是幾十到上百微米，這個波段是非常重要有用的，但是在該波段內(nèi)能做出一些動態(tài)器件卻是很不容易的�？傊�，我們的發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)基于大幅相位調(diào)控的光子器件，打下了堅實的基礎(chǔ)�！�
延伸閱讀
“撕”出來的石墨烯
許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，果殼網(wǎng)署名魏郎爾的文章稱，但這些美妙的特性對樣品質(zhì)量要求非常高。要想獲得電學(xué)和機(jī)械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費時費力費錢的手段：機(jī)械剝離法。
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。他們不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎。
看起來雖然所需的設(shè)備和技術(shù)含量看起來都很低，但問題是這樣做的成功率更低，要論產(chǎn)業(yè)化，這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦，一天又能剝下來幾片？
當(dāng)然現(xiàn)在我們有了很多其他方法，能增加產(chǎn)量、降低成本。例如，我們有液相剝離法：把石墨或者類似的含碳材料放進(jìn)表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學(xué)氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法，在兩層硅中間直接設(shè)法長出一層石墨烯來。還有化學(xué)氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但麻煩的是這些辦法生產(chǎn)的石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量又掉下去了。
這些辦法為什么做不出高質(zhì)量的石墨烯？舉個例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環(huán)，但在邊緣部分往往會被打亂，成為五元或七元環(huán)。這看起來沒啥大不了的，但是化學(xué)氣相沉積法產(chǎn)生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點上生長出來的一片。它其實是多個點同時生長產(chǎn)生的“多晶”，而沒有辦法能保證這多個點長出來的小片都能完整對齊。于是，這些畸形環(huán)不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內(nèi)部，成為結(jié)構(gòu)弱點、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點不像多晶金屬那樣會自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結(jié)果是整個石墨烯的強(qiáng)度要減半。
只能說材料是個麻煩的領(lǐng)域，想魚與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒有那么快。
最大的好處就在于它的光學(xué)響應(yīng)可通過施加電壓進(jìn)行很好的調(diào)制，只要往里面填一點電子，它的光學(xué)響應(yīng)、對光的反射率，就會發(fā)生巨大變化。
將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二�！八骸背�石墨烯的方法讓英國的兩位科學(xué)家在2010年獲得了諾貝爾獎。
試想一塊材料，光打上去之后，不按鏡面反射的角度反射回來，而是像舞臺追光燈一樣，想讓光射到什么方向就能自動調(diào)到什么方向，豈不神奇！
最近，復(fù)旦大學(xué)物理系的一項研究就展示了一種由石墨烯相關(guān)結(jié)構(gòu)制成的材料，使這個設(shè)想有可能成為現(xiàn)實，相關(guān)研究報告日前發(fā)表在美國物理學(xué)會權(quán)威期刊《物理評論X》上。
這項研究將很大程度上助推全息光學(xué)器件的應(yīng)用。全息之所以能夠真實成像，就在于全息板、片上每一點都記錄了影像的反射相位。而如果局域每一點都實現(xiàn)相位自由調(diào)控的話，拿光一打，這個全息影像就能夠動起來。沒準(zhǔn)在不久的將來，我們步入電影院，享受一部比3D電影更為炫酷的全息電影。
反射相位動態(tài)可調(diào)
一束正入射的光，通過改變材料的反射相位分布，就可以實現(xiàn)30度出射或80度出射
想得到這種奇特的材料，最關(guān)鍵的技術(shù)，是實現(xiàn)電磁波相位的自由調(diào)控，這既是此項研究最重要的突破，也是光子學(xué)研究中的核心問題。
啥是電磁波的相位？該發(fā)表論文通訊作者之一、“長江學(xué)者”特聘教授周磊對科技日報記者介紹道：“所有的波都有振幅和相位，電磁波也不例外。振幅決定了一支波的最大振動范圍，而相位決定了波的值什么時候大，什么時候小。”它是描述波是否處于波峰、波谷或它們之間某點的一種標(biāo)度。比如一支波當(dāng)其相位為零時，波達(dá)到最大值；相位為90度時，波為零；相位為180度時，波又到達(dá)負(fù)的最大值，如此類推，循環(huán)往復(fù)。
“相位調(diào)控的重要作用在于，如果材料上每一點的反射相位不同，就可以使光打到上面時入射角和反射角不同”，周磊舉例說，比如一束正入射的光，通過改變材料的反射相位分布，就可以實現(xiàn)30度出射或80度出射等等。
事實上，三年前周磊課題組在一項發(fā)表于《自然·材料》的研究中就已實現(xiàn)光反射角度的改變�！暗覀兿惹暗难芯渴撬赖�、被動的，材料一旦做好了就只能讓光以特定角度射出。而用現(xiàn)在新的機(jī)理，每一點的相位理論上都是動態(tài)可調(diào)的，通過相位改變能對光產(chǎn)生不同的干涉效果，按需要打到不同的方向�！�
給點兒電壓，它就“燦爛”
對石墨烯而言，只要往里面填一點電子，它的光學(xué)響應(yīng)、對光的反射率，就會發(fā)生巨大變化
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一個振子在振動時因遭受空氣阻力而產(chǎn)生能量損耗，振幅隨時間推移越來越小，這就叫振動的阻尼。周磊介紹說：“當(dāng)阻尼很小的時候，對振動的作用很小，這就是‘欠阻尼’振動，這時電磁波的相位會隨著頻率的變化而發(fā)生很大的變化；當(dāng)阻尼很大時，比如將一架小秋千放入一桶油里面，這個秋千可能連一次振動都不做到就停下來了，這種振動模式就叫做‘過阻尼’振動，這時頻率雖然變化，可電磁波相位甚至動都不動，根本就不響應(yīng)�！币簿褪钦f，從欠阻尼到過阻尼的演化過程中，相位也從一個能夠產(chǎn)生很大變化的區(qū)域，一下子到了一個不怎么變的區(qū)域，這就使得相位調(diào)控的范圍可以很大。先前一些只在一個固定的過阻尼或欠阻尼區(qū)域內(nèi)進(jìn)行調(diào)控的研究，能實現(xiàn)的調(diào)控范圍就很小，比如只有30度。“我們的研究原則上能做到360度整個相位全覆蓋�！敝芾诒硎尽�
什么物質(zhì)能有如此靈敏的光學(xué)響應(yīng)，讓研究團(tuán)隊最終制出了神奇的反射材料？答案要從石墨烯中找�！笆┳畲蟮暮锰幘驮谟谒墓鈱W(xué)響應(yīng)可通過施加電壓進(jìn)行很好的調(diào)制。如果一般的銅、金、銀這些金屬，你也可以給它加電壓、填電子，但它里面電子已然數(shù)目異常巨大，往里加個把電子，它‘看不見’，光學(xué)響應(yīng)沒什么變化”，周磊指出，而對石墨烯，只要往里面填一點電子，它的光學(xué)響應(yīng)、對光的反射率，就會發(fā)生巨大變化。其絕對變化不會太大，但相對變化會非常劇烈。所以研究團(tuán)隊想到了用它來和超表面結(jié)合，制成特殊材料。
讓石墨烯與超表面親密接觸
“我們的發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)基于大幅相位調(diào)控的光子器件，打下了堅實的基礎(chǔ)”
周磊向記者介紹：“這項研究由物理系張遠(yuǎn)波課題組和我們共同完成。張遠(yuǎn)波團(tuán)隊在石墨烯研究方面有著深厚的積累，而我們則主攻超表面領(lǐng)域�！�
超表面是一種對光學(xué)有著奇異響應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)表面陣列，但這種奇異的響應(yīng)是動不了的，一旦設(shè)計好了，其性質(zhì)就不發(fā)生變化。
“于是我們就想到用石墨烯把它調(diào)得能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)變化，便與遠(yuǎn)波團(tuán)隊一起合作。兩個課題經(jīng)過三年的攻堅終于取得了這項成果�！敝芾谡f。
不僅能夠動態(tài)調(diào)控，石墨烯與超表面耦合在一起的反射體系，還具有超薄、極小的特點。用傳統(tǒng)液晶及其他半導(dǎo)體材料制成的相位調(diào)制體系的厚度，如果以光的波長為單位來衡量，通常需是波長的很多倍，而石墨烯超表面的厚度則只有十分之一個波長。不僅超薄，在光斑橫向的尺度上，這種新材料也能做到極小。
最后，作為應(yīng)用實例，研究還展示了一個基于石墨烯超表面的太赫茲偏振調(diào)節(jié)器。周磊指出：“太赫茲波段的波長所對應(yīng)的尺度大概是幾十到上百微米，這個波段是非常重要有用的，但是在該波段內(nèi)能做出一些動態(tài)器件卻是很不容易的�？傊�，我們的發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)基于大幅相位調(diào)控的光子器件，打下了堅實的基礎(chǔ)�！�
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“撕”出來的石墨烯
許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，果殼網(wǎng)署名魏郎爾的文章稱，但這些美妙的特性對樣品質(zhì)量要求非常高。要想獲得電學(xué)和機(jī)械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費時費力費錢的手段：機(jī)械剝離法。
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。他們不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎。
看起來雖然所需的設(shè)備和技術(shù)含量看起來都很低，但問題是這樣做的成功率更低，要論產(chǎn)業(yè)化，這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦，一天又能剝下來幾片？
當(dāng)然現(xiàn)在我們有了很多其他方法，能增加產(chǎn)量、降低成本。例如，我們有液相剝離法：把石墨或者類似的含碳材料放進(jìn)表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學(xué)氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法，在兩層硅中間直接設(shè)法長出一層石墨烯來。還有化學(xué)氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但麻煩的是這些辦法生產(chǎn)的石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量又掉下去了。
這些辦法為什么做不出高質(zhì)量的石墨烯？舉個例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環(huán)，但在邊緣部分往往會被打亂，成為五元或七元環(huán)。這看起來沒啥大不了的，但是化學(xué)氣相沉積法產(chǎn)生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點上生長出來的一片。它其實是多個點同時生長產(chǎn)生的“多晶”，而沒有辦法能保證這多個點長出來的小片都能完整對齊。于是，這些畸形環(huán)不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內(nèi)部，成為結(jié)構(gòu)弱點、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點不像多晶金屬那樣會自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結(jié)果是整個石墨烯的強(qiáng)度要減半。
只能說材料是個麻煩的領(lǐng)域，想魚與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒有那么快。
