石墨烯-氮化硼系统中的表面等离激元及光学性能调控

• 作 者: 张凯
• 机 构: 纳米研究国际实验室(i-Lab),中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
• 出 处: 第十届中国科学院“百人学者论坛”学术年会
• 发表日期: 2015年11期

　　石墨烯，由sp2杂化构成的单层碳原子材料，自2004年首次发现、2010年获诺贝尔物理学奖殊荣，已激发广泛的学术和产业界的兴趣。由于其超高的载流子迁移率、宽光谱响应以及超薄柔韧等性能优势，被寄望于新一代光电子器件开发应用。迄今，基于石墨烯的光电器件研究虽然取得了一些进展，但石墨烯在光吸收率、光电响应度和本征性能保持等方面的问题局限了其实际应用。六方氮化硼具有与石墨烯极其相似的原子结构，但异常迥异的材料特性。石墨烯与氮化硼相结合，可构建各种平面和堆垛异质结结构，允许材料能带结构、电学、光学性能在多维度的调控。我们在前期的工作中从材料组分、器件结构等方面着手，针对石墨烯本征性能在光电应用中的局限，在石墨烯-氮化硼系统对石墨烯表面等离激元和光学性能进行调控。首先，在原子级表征和研究化学气相沉积石墨烯、氮化硼中相分离转化的基础上，成功实现了二维硼、碳、氮网络结构的可控生长。[1]以石墨烯或氮化硼为模板，通过金属催化作用下的原子取代，形成了二维硼-碳-氮合金，获得了～2eV的能带，并系统研究了这种二维合金的荧光特性。其次，采用等离子化学气相沉积生长的少数层六方氮化硼薄膜作为介电光学窗口，构建了多种石墨烯/氮化硼堆垛异质结结构，激发出远红外波段宽频可调谐的表面等离激元谐振，突破了单层石墨烯的谐振特性。[2]另外，基于嵌段共聚物自组装开发了一种工艺简单、廉价、大面积制备石墨烯纳米点阵的方法，点阵结构可控。所制备的石墨烯纳米点阵可激发中红外表面等离激元谐振，获得了宽频局域电场增强，实现了红外光谱增强，并用于传感检测。采用该石墨烯点阵基表面等离增强红外光谱，获得了单层自组装分子振动吸收>10倍的信号增强，单链DNA检测皮摩尔量级的探测灵敏度，以及水溶液中金属离子的高选择性和灵敏度监测。