「雪花狀設計」使石墨烯光電壓提升10倍，實現超快速光檢測

所謂分形，是指人們將相同的圖案、樣式在越來越小的空間上進行無限次的重複。研究人員發現，通過採用類似於雪花形狀的分形設計，能夠打破石墨烯本身固有的低光學吸收限制，從而顯著提升其光學吸收能力。該研究結果使石墨烯光電檢測器的光電壓提升了整整一個數量級，並能夠實現超快速的光檢測。

石墨烯光電探測器的示意圖。該探測器的黃金觸點具有類似雪花形狀的分形圖案。相比於採用平面邊緣的石墨烯光電探測器，這一設計能夠帶來更高的光學吸收率，並可以將光電壓提升10倍。

來自印第安納州普渡大學的研究員：方潔然（音譯，JieranFang）、王迪（音譯，Di Wang）和指導教授艾利克斯·基爾迪舍夫（Alex Kildishev）、亞歷山大波爾塔舍瓦（Alexandra Boltasseva），瓦拉德舍拉維夫（Vlad Shalaev）以及陳永平（Yong. P Chen）教授所在的研究團隊，在最近的一期的《納米快報》（Nano Letters）上，發表了一篇關於新型石墨烯光電探測器的分形設計的論文。

光電檢測器是一類將光子轉換成電流，從而實現光檢測的裝置。其應用十分廣泛，其中包括：X射線望遠鏡、無線滑鼠、電視遙控器、機器人感測器和攝像機等等。目前的光電檢測器通常由硅、鍺或其他常見半導體製成。但近幾年來，研究人員們一直在探究能否利用石墨烯來製造光電檢測器。

雖然石墨烯具有許多十分驚人的光學與電學性質，例如均勻的超寬頻光學吸收能力以及超高的電子移動速度等。但是，由於石墨烯的厚度僅為一個原子，因而其本身的光學吸收性能十分低下，這也是其無法被廣泛用於光電探測器的主要原因之一。

為了解決石墨烯的光學吸收性能低下這一難題，普渡大學的研究人員設計了一款帶有金觸點的石墨烯光電探測器。這些觸點的獨特之處在於：它們具有外觀與雪花形狀頗為相似的分形結構。研究人員表明，與平面的金 - 石墨烯相比，擁有分形圖案的邊緣能夠達到一舉兩得的效果：在更寬的頻率域內更加有效的收集光子。 相較於前者，這一新的設計能夠產生其10倍的光電壓。

令人欣喜的是，新型石墨烯光電檢測器的優點還遠不止於此。該檢測器的其他優點還包括：能夠響應任何偏振角的光線。而這一優點與上一代石墨烯光電探測器形成了鮮明的對比——傳統的光電探測器基於等離子體增強，其敏感度與偏振角息息相關。

這一新型石墨烯光電探測器同時還擁有非常寬廣的帶寬，從而提升了它在整個可見光譜上的光檢測能力。不僅如此，由於石墨烯內部的電子具有非常高的運動速度，新的光電檢測器還可以實現十分快速的光檢測。

王迪博士介紹說：「在這項工作中，我們解決了一個十分重要的問題，即通過設計一個智能的自相似的等離子體分形超穎表面，使得原本並不靈敏的石墨烯光電探測器能夠用於檢測很寬範圍內的光譜，而且這種探測能力還與光線的偏振角度無關。據我們所知，這兩個屬性在之前的等離子體增強石墨烯光電探測器中從未有過報道。」

研究人員解釋說，這些特性直接與分形圖案有關。

類似於雪花形狀的分形設計，以及黃金分形超穎表面電場模擬的示意圖

基爾迪舍夫說：「我們提出的分形超穎表面具有複雜和高度六邊形對稱的幾何形狀，因而具有能夠支持等離基元在寬光譜範圍內共振（自由電子振蕩）的獨特能力，而且這種共振與偏振方向無關。之前報道過的等離子體增強的石墨烯電探測器，使用的則是更為簡單的窄帶和偏振敏感結構，因此產生的增強效果也是如此。」

正如之前的研究所指，分形圖樣之所以能夠改善光學吸收，其主要原因在於：分形的超穎表面能夠產生額外的共振，而且共振的數量隨著分形級數的增加而增加。此外，研究人員們還發現，分形的超穎表面對於轟擊表面的光而產生的電場起到了限制和增強效果。這也最終使得這一新型的石墨烯光電檢測器能夠產生較高的光電壓。

基爾迪舍夫進一步解釋道，在這類基於石墨烯的光電探測器中，光電壓的產生主要依賴於兩種機制：光伏效應和光熱電效應。光伏效應利用石墨烯中不同摻雜區域誘發的內建電場，分離石墨烯中的光激發空穴與電子對。而另一方面，當石墨烯內部兩個不同區域存在溫度梯度時，光熱電效應能夠驅動這兩個具有不同熱電功率（塞貝克係數）的區域里的自由電子。

通過增加電場強度以及利用在高度受限空間中的入射光加熱效應，分形的超穎表面可以有效地增強石墨烯光電檢測器中上文所述的兩種效應。

基爾迪舍夫說道，「通過等離子體共振，即在光激發作用下金內部電子的自由振動，具有分形特徵的超穎表面可以提升光電壓。而光電壓的提升將電磁能量限制在一個十分微小的體積之內，從而在石墨烯內部產生了過量的電子-空穴對，隨後這些電子空穴對在光電效應的作用下實現了分離。與此同時，入射光也會加熱等離子體結構，從而在金屬/石墨烯結構上形成了非常大的溫度梯度界面，並帶來了更為顯著的光熱電相應。」

在不遠的將來，研究人員們將計劃探索石墨烯光電探測器的其他潛在應用。這可能意味著從光電探測到光捕獲的跨越，從而能夠應用於太陽能電池和光學加熱。由於石墨烯光電檢測器所具有的超快操作速度，這將為那些需要快速響應的應用技術帶來質的飛躍。

王迪博士在其論文中提到：「石墨烯光伏/光電檢測器的一個優異屬性在於，它能以非常快的速率對光線作出響應。這一特點主要是由於石墨烯中電子具有超快的移動速度（光伏效應）和極短的熱量散發時間（光熱電效應）。這種響應速度是其他光電探測材料無法比擬的。」

等離子體增強石墨烯光電探測器對於全光調製器的輸出和其他響應速度的應用中負有盛名。除此之外，石墨烯還具有零（或可調諧）的禁帶（指晶體中相鄰兩能帶間的能量範圍），以及在整個電磁光譜上均勻的光學吸收能力。 因此，石墨烯光電檢測器原則上可以實現以相同的敏感度檢測任何頻率的光線，這也是由其他光電檢測材料製成的其他檢測器所無法比擬的。

編輯：胡仲略