变色龙的石墨烯表面

石墨烯是光子学和光电子学的理想材料，可以充分发挥其独特的光学和电子特性的结合[1]。石墨烯是无间隙的，这使得电荷载流子能够在非常宽的能谱上透过光吸收产生，这是其它材料无法比拟的。这包括紫外线、可见光、短波红外线、近红外线、中红外线、远红外线和太赫兹 (THz)。此外，石墨烯表现出超快的载子动力学[2]、与波长无关的吸收[3]、透过改变其化学位能/费米能级（E_F）的可调光学特性[4]、低耗散率和高迁移率[5]等。参考E_F=0 eV 通常被认为是在狄拉克点，即代表单层石墨烯（SLG）的导带和价带的两个锥体的交点（图一）。费米能量在 0 K 时与 E_F 重合。对于静电掺杂，在室温下，通常近似于 E_F ≈费米能量。

 

图 一、光与掺杂石墨烯交互作用的基本原理。(a)和(b)，如果入射光子能量大于2EF，光可以被吸收，如(a)；否则，光吸收被阻止，如(b)。

通过静电闸调节材料光学响应的能力对于光电应用极为重要，例如电光调制器、用于各种超快和宽带锁模激光的饱和吸收器、光学限制器、光电检测器和透明电极[1]。SLG宽带结构，具有零间隙、线性色散导带和价带（图一），可以轻松控制 E_F 和带间光吸收阈值，具有超宽带稳定性[4]，以与门控第三谐波增强[6]，为用于光通信和信号处理的电调控宽带变频器提供了条件。

基于 SLG 的光子和光电系统的许多特性和独特功能，已经有所研究并提出了一些应用[1]、[7]、[8]。石墨烯积体光子学是用于下一代数据通信和电信的调制器、检测器和开关的晶圆级制造的新兴平台[7]、[8]。

在 SLG中，吸收和折射率取决于E_F以及由撞击光子激发的电子和电洞的带内和带间跃迁[9]。在未掺杂的SLG中，允许吸收任何波长的光子[3]。然而，如果E_F增加到光子能量的一半以上，由于包立阻挡(Pauli blocking)，载子激发被抑制，SLG 变得透明[10]（图一）。SLG中的电吸收调制可以透过E_F调制来实现[11]。这也会导致相位调制，因为吸收和折射率取决于 E_F（参考文献 12）。当带间跃迁被抑制时，会由于带内跃迁而发生吸收。这些主要是由例如：杂质、陷阱态和屏蔽引起的长程散射的结果。描述带内转换的整体效果的一种方便的方法是散射时间τ，τ越长，带内吸收越低，这意味着 SLG 在E_F范围内变得越透明，在该范围内，由于包立阻挡，带间跃迁被排除在外。

传统的光电组件，例如光源和检测器，通常设计为在特定波长下工作以获得最高效率。在数量级不同的波长和光子能量上工作的多光谱组件上，开辟了新的机会。这些需要宽带电光可调性、多光谱组件结构和不变性开关。相变[13]和电致变色材料[14] 能够由温度或电场触发颜色变化，但它们需要导电的顶部电极，这可能会限制它们的光谱范围。

在《自然光子》上的报导中，Muhammed Said Ergoktas及其同事展示了几种基于石墨烯的电光设备，具有从可见光到微波的多光谱调谐 [15]。他们基于电化学实现了这些，在多层石墨烯（MLG）片之间具有可逆的锂（Li）嵌入。组成电化学电池的电荷状态用于调节不同波长范围内的光谱强度，新的组件概念将电化学与光学特性的调整联系起来。MLG是透过化学气相沉积在镍箔上制备的，非常适合MLG生长，而铜则更适合SLG[16]。Ergoktas及其同事使用的卷对卷制程也可扩展到大面积。具有约 150 层的 MLG 用作阳极，涂有锂（Li）掺杂的镍锰钴氧化物的铝箔作为阴极。这种架构与锂离子电池的架构非常相似。与电池一样，锂离子嵌入MLG，从而调节每一层的E_F [15]。基于这个原因，即使非嵌入阴极是 MLG，决定组件的光学特性的相关物理也是 SLG 的物理特性，如上所述，因为这些层透过锂（Li）嵌入过程中达成去耦合(decoupled)。

由于本质上是电化学的，这些组件无法与电或光调谐光电检测器或调制器的调制速度竞争[1]、[4]、[7]、[8]、[11]。Ergoktas及其同事表明，他们的设备可以在太赫兹范围内约 1 秒内、红外线范围内约 3 秒和可见光范围内的数十秒内作打开/关闭。这些速度与在相应状态下修改光学响应所需的电荷量一致。由于光学响应与电荷量有关，因此响应时间与组件的电流成比例。因此，透过将充电电流增加相同的数量，可以将其缩放约 10 倍。Ergoktas及其同事透过将设备的电流保持在与锂离子电池相似的水平（~1 mA cm^-2）来优先考虑长期运行稳定性。

这些速度不如显示应用所需的速度快，例如那些利用液晶或有机发光二极管的应用。因此，该团队建议其它用途，例如用于太空应用的可调太阳能反射器。 10-40秒的可见光响应时间对于卫星的动态热调节是可以接受的，因为这比典型的轨道周期快得多，即使对于低轨道卫星也是如此。需要可调红外发射率的应用包括热伪装和辐射热传输，Ergoktas和同事证明了这两种应用。对于热伪装，切换速度取决于背景的变化。对于静止或缓慢移动的物体，背景会在一天内随着环境温度的波动或云层的移动而变化。对于快速移动的物体，例如火车等交通工具，背景变化以秒计，Ergoktas和同事所报告的技术需要针对应用再优化。

对于任何其它电化学组件，可循环性是主要关注的项目之一。Ergoktas及其同事在太赫兹、红外和可见光范围内测试了耐用性，表明这些组件可以在这些状态下分别运行超过 11,000、2,200 和 580 次开/关循环。有趣的是，由于架构的相似性，他们还展示了使用这种新技术作为锂离子电池的充电指示器。

这些新的多光谱电光设备在从可见光到微波的整个电磁频谱范围内运行，可以激发可调谐光学的新技术，无论是作为独立单元，还是与已建立的光操纵方法结合。将这些组件与 SLG 等电浆频率的广泛电光可调性结合，可能会产生电可调电浆子系统，这将实现多光谱活跃电浆子。

利用电化学来调整 SLG 的光学特性，为这种独特的材料开辟了一个新的有希望的研究方向。原则上，也可以通过调整Ergoktas及其同事提出的方法来研究其它分层材料。反之亦然，锂离子电池性能的关键方面可以透过研究石墨阳极嵌入和脱嵌过程中发生的光学和光谱特性的变化来研究，以揭示锂离子在循环过程中诱导掺杂、分级和降解的特征，这可能会更加了解电池退化过程。锂（Li）的嵌入/脱嵌可能会导致不同循环中石墨或硅-石墨负极发生变化，影响电池循环性能。SLG 中光与物质相互作用的独特物理学将成为开发基于光学的诊断工具的基础，以改进对电池健康状态的控制和预测。