研究人员将石墨烯上的光能转换为表面波的效率达到近90%

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用于将激光转换为表面等离子体激元图像的结构


俄罗斯MIPT和弗拉基米尔州立大学的科学家报告说,将光能转换石墨烯上的表面波的效率接近90%。他们依靠类似激光的能量转换方案和集体共振。


纳米级的光处理对于创建用于光能转换和存储的超紧凑设备至关重要。为了将光如此小范围地定位,研究人员将光辐射转换为所谓的表面等离激元极化子。这些SPP是沿着两种折射率截然不同的材料(尤其是金属,电介质或空气)之间的界面传播的振荡。根据选择的材料,表面波定位的程度会有所不同。对于局域在仅一个原子层厚的材料上的光,它是最强的,因为此类2D材料具有高折射率。

用于将光转换为2D表面上的SPP的现有方案的效率不超过10%。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),可以改善这一数字。

最近的研究中使用的中间转换器是尺寸为5至100纳米的半导体量子点,其组成与它们所制造的固态半导体的组成相似。就是说,量子点的光学特性随其尺寸而有很大变化。因此,通过更改其尺寸,研究人员可以将其调整到感兴趣的光波长。如果用自然光照射各种尺寸的量子点的组件,则每个点将响应特定的波长。

量子点具有各种形状-圆柱体,金字塔,球体等-以及化学成分。俄罗斯研究小组在研究中使用了直径40纳米的椭圆形量子点。这些点用作位于石墨烯表面上方的散射体,该石墨烯表面被波长为1.55微米的红外光照射。几纳米厚的介电缓冲层将石墨烯片与量子点隔开。


这并不是研究人员第一次使用量子点作为散射体。某些先前的石墨烯研究使用了类似的布置,点位于2D图纸上方,并且与光以及与两个过程共享的同一波长的表面电磁波相互作用。通过选择完全正确的量子点尺寸,可以实现这一点。尽管这样的系统很容易调谐到共振,但它很容易受到发光猝灭(将入射光能转换成热)以及反向光散射的影响。结果,SPP产生效率不超过10%。

“我们研究了一种方案,其中位于石墨烯上方的量子点既与入射光相互作用,又与表面电磁波相互作用,但是这两种相互作用的频率不同。该点与波长为1.55微米的光以及3.5微米的表面等离子体激元相互作用。研究的共同作者,MIPT光子学和2D材料中心的高级研究员,弗拉基米尔州立大学的副教授Alexei Prokhorov评论说,这是通过混合交互方案实现的。

混合交互方案的本质在于,设置不包括仅使用两个能量级别(上限和下限),而是还包括一个中间级别。也就是说,研究小组使用了类似于激光的高能结构。中间能级用于使量子点与表面电磁波之间建立牢固的连接。量子点在照射它的激光的波长处受到激发,而表面波在由SPP量子点共振确定的波长处产生。

普罗霍罗夫解释说:“我们已经使用了多种材料来制造量子点以及各种类型的石墨烯。” 除了纯石墨烯外,还有所谓的掺杂石墨烯,它掺入了元素周期表中相邻基团的元素。根据掺杂的种类,石墨烯的化学势会发生变化。我们优化了量子点的参数(其化学性质,几何形状)以及石墨烯的类型,以最大程度地提高将光能转换为表面等离振子-极化子的效率。最终,我们选择了掺杂的石墨烯和锑化铟作为量子点材料。”

尽管通过量子点中间体将高效的能量输入到石墨烯中,但所得波的强度却非常低。因此,必须在石墨烯层上方的特定布置中使用大量的点。研究人员必须精确地找到正确的几何形状,点之间的完美距离,以确保由于每个点近场的相位调整而导致信号放大。在他们的研究中,研究小组报告发现了这种几何形状并测量了石墨烯中的信号,该信号的强度要比随机排列的量子点强几个数量级。为了进行后续计算,物理学家采用了自行开发的软件模块。

新提出的方案的计算出的转换效率高达90%-95%。即使考虑到所有可能影响此品质因数的潜在负面因素,它也将保持在50%以上,是任何其他竞争系统的几倍。

主任说:“这类研究的很大一部分集中在创建超紧凑设备上,该设备能够将光能高效转换为表面等离激元-极化子,并在很小的空间范围内,从而将光能记录到某种结构中。”这项研究的共同作者,瓦伦丁·沃尔科夫(Valentyn Volkov)是MIPT光子学和2D材料中心的成员。“此外,您可以积累极化子,有可能设计出由几个原子层组成的超薄电池。可以在类似于太阳能电池的光能转换器中使用这种效应,但效率要高出几倍。另一个有希望的应用与纳米和生物物体检测有关。”


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