變色龍的石墨烯表面

石墨烯是光子學和光電子學的理想材料，可以充分發揮其獨特的光學和電子特性的結合[1]。石墨烯是無間隙的，這使得電荷載流子能夠在非常寬的能譜上透過光吸收產生，這是其他材料無法比擬的。這包括紫外線、可見光、短波紅外線、近紅外線、中紅外線、遠紅外線和太赫茲 (THz)。此外，石墨烯表現出超快的載子動力學[2]、與波長無關的吸收[3]、透過改變其化學位能/費米能級（E_F）的可調光學特性[4]、低耗散率和高遷移率[5]等。參考E_F=0 eV 通常被認為是在狄拉克點，即代表單層石墨烯（SLG）的導帶和價帶的兩個錐體的交點（圖一）。費米能量在 0 K 時與 E_F 重合。對於靜電摻雜，在室溫下，通常近似於 E_F ≈費米能量。

 

圖 一、光與摻雜石墨烯交互作用的基本原理。(a)和(b)，如果入射光子能量大於2EF，光可以被吸收，如(a)；否則，光吸收被阻止，如(b)。

通過靜電閘調節材料光學響應的能力對於光電應用極為重要，例如電光調制器、用於各種超快和寬帶鎖模雷射的飽和吸收器、光學限制器、光電檢測器和透明電極[1]。SLG寬帶結構，具有零間隙、線性色散導帶和價帶（圖一），可以輕鬆控制 E_F 和帶間光吸收閾值，具有超寬帶穩定性[4]，以及閘控第三諧波增強[6]，為用於光通信和信號處理的電調控寬帶變頻器提供了條件。

基於 SLG 的光子和光電系統的許多特性和獨特功能，已經有所研究並提出了一些應用[1]、[7]、[8]。石墨烯積體光子學是用於下一代數據通信和電信的調制器、檢測器和開關的晶圓級製造的新興平台[7]、[8]。

在 SLG中，吸收和折射率取決於E_F以及由撞擊光子激發的電子和電洞的帶內和帶間躍遷[9]。在未摻雜的SLG中，允許吸收任何波長的光子[3]。然而，如果E_F增加到光子能量的一半以上，由於包立阻擋(Pauli blocking)，載子激發被抑制，SLG 變得透明[10]（圖一）。SLG中的電吸收調制可以透過E_F調制來實現[11]。這也會導致相位調制，因為吸收和折射率取決於 E_F（參考文獻 12）。當帶間躍遷被抑制時，會由於帶內躍遷而發生吸收。這些主要是由例如：雜質、陷阱態和屏蔽引起的長程散射的結果。描述帶內轉換的整體效果的一種方便的方法是散射時間τ，τ越長，帶內吸收越低，這意味著 SLG 在E_F範圍內變得越透明，在該範圍內，由於包立阻擋，帶間躍遷被排除在外。

傳統的光電元件，例如光源和檢測器，通常設計為在特定波長下工作以獲得最高效率。在數量級不同的波長和光子能量上工作的多光譜元件上，開闢了新的機會。這些需要寬帶電光可調性、多光譜元件結構和不變性開關。相變[13]和電致變色材料[14] 能夠由溫度或電場觸發顏色變化，但它們需要導電的頂部電極，這可能會限制它們的光譜範圍。

在《自然光子》上的報導中，Muhammed Said Ergoktas及其同事展示了幾種基於石墨烯的電光設備，具有從可見光到微波的多光譜調諧 [15]。他們基於電化學實現了這些，在多層石墨烯（MLG）片之間具有可逆的鋰（Li）嵌入。組成電化學電池的電荷狀態用於調節不同波長範圍內的光譜強度，新的元件概念將電化學與光學特性的調整聯繫起來。MLG是透過化學氣相沉積在鎳箔上製備的，非常適合MLG生長，而銅則更適合SLG[16]。Ergoktas及其同事使用的捲對捲製程也可擴展到大面積。具有約 150 層的 MLG 用作陽極，塗有鋰（Li）摻雜的鎳錳鈷氧化物的鋁箔作為陰極。這種架構與鋰離子電池的架構非常相似。與電池一樣，鋰離子嵌入MLG，從而調節每一層的E_F [15]。基於這個原因，即使非嵌入陰極是 MLG，決定元件的光學特性的相關物理也是 SLG 的物理特性，如上所述，因為這些層透過鋰（Li）嵌入過程中達成去耦合(decoupled)。

由於本質上是電化學的，這些元件無法與電或光調諧光電檢測器或調制器的調制速度競爭[1]、[4]、[7]、[8]、[11]。Ergoktas及其同事表明，他們的設備可以在太赫茲範圍內約 1 秒內、紅外線範圍內約 3 秒和可見光範圍內的數十秒內作打開/關閉。這些速度與在相應狀態下修改光學響應所需的電荷量一致。由於光學響應與電荷量有關，因此響應時間與元件的電流成比例。因此，透過將充電電流增加相同的數量，可以將其縮放約 10 倍。Ergoktas及其同事透過將設備的電流保持在與鋰離子電池相似的水準（~1 mA cm^-2）來優先考慮長期運行穩定性。

這些速度不如顯示應用所需的速度快，例如那些利用液晶或有機發光二極體的應用。因此，該團隊建議其他用途，例如用於太空應用的可調太陽能反射器。 10-40秒的可見光響應時間對於衛星的動態熱調節是可以接受的，因為這比典型的軌道周期快得多，即使對於低軌道衛星也是如此。需要可調紅外發射率的應用包括熱偽裝和輻射熱傳輸，Ergoktas和同事證明了這兩種應用。對於熱偽裝，切換速度取決於背景的變化。對於靜止或緩慢移動的物體，背景會在一天內隨著環境溫度的波動或雲層的移動而變化。對於快速移動的物體，例如火車等交通工具，背景變化以秒計，Ergoktas和同事所報告的技術需要針對應用再優化。

對於任何其他電化學元件，可循環性是主要關注的項目之一。Ergoktas及其同事在太赫茲、紅外和可見光範圍內測試了耐用性，表明這些元件可以在這些狀態下分別運行超過 11,000、2,200 和 580 次開/關循環。有趣的是，由於架構的相似性，他們還展示了使用這種新技術作為鋰離子電池的充電指示器。

這些新的多光譜電光設備在從可見光到微波的整個電磁頻譜範圍內運行，可以激發可調諧光學的新技術，無論是作為獨立單元，還是與已建立的光操縱方法結合。將這些元件與 SLG 等電漿頻率的廣泛電光可調性結合，可能會產生電可調電漿子系統，這將實現多光譜活躍電漿子。

利用電化學來調整 SLG 的光學特性，為這種獨特的材料開闢了一個新的有希望的研究方向。原則上，也可以通過調整Ergoktas及其同事提出的方法來研究其他分層材料。反之亦然，鋰離子電池性能的關鍵方面可以透過研究石墨陽極嵌入和脫嵌過程中發生的光學和光譜特性的變化來研究，以揭示鋰離子在循環過程中誘導摻雜、分級和降解的特徵，這可能會更加了解電池退化過程。鋰（Li）的嵌入/脫嵌可能會導致不同循環中石墨或矽-石墨負極發生變化，影響電池循環性能。SLG 中光與物質相互作用的獨特物理學將成為開發基於光學的診斷工具的基礎，以改進對電池健康狀態的控制和預測。