澳大利亞研究人員開發出石墨烯基超薄吸光膜 數秒內可升溫到160攝氏度

• 原型超薄石墨烯基吸光膜。照片來源：斯威本科技大學。

來自澳大利亞三所大學的研究人員合作開發了一種吸光器件，這種器件使用一種新型石墨烯基薄膜，可以吸收在60度角範圍內的非偏振入射光。

在陽光照射下的開放環境中，這種90納米超薄超材料可以迅速升溫到高達160攝氏度。研究人員認為，這種新型光學材料的特性使其適用於多種用途，包括海水淡化、彩色顯示器、光電探測器和用於通信設備的光學元件。

斯威本科技大學（位於澳大利亞墨爾本）微光子學中心的高級研究員Han Lin說：「石墨烯具有獨特的性質。它可以吸收從紫外到微波的任何波長的光。」 他說，其他吸收物，包括各種工程超材料，相比之下都有缺點。「例如，碳納米管厚度達數十至數百微米，這會阻礙設備集成。」

Lin作為第一作者，在本月出版的《自然·光子學》（Nature Photonics）期刊上發表了一篇關於該原型器件的論文（論文標題為「A 90-nm-thick graphene metamaterial for strong and extremely broadband absorption of unpolarized light」）。他指出，已有一些利用多層結構製造實用石墨烯吸光器件的嘗試，但那些方法僅限於單偏振，而事實證明製造出它們是困難的。

「另一方面，我們用新型石墨烯薄膜製造的器件對偏振不敏感。」他說。「這是因為它的構造是為了降低有效介電常數以實現橫電（TE）和橫磁（TM）極化的吸收。製造起來也很簡單。」

來自斯威本科技大學、雪梨大學和澳大利亞國立大學的 8名研究人員合作開發了一種實驗性的2.5 cm × 5 cm原型器件，該器件採用石墨烯基薄膜，對非偏振光的吸收率約為85％。通過製造一系列超材料層，部分地實現了高吸收率。

鑒於單層石墨烯的光吸收率僅為2.3％，採用多層結構是必要的。然而，創建這樣的結構並防止石墨烯轉變為石墨及失去其重要特性，被證明是一個挑戰。他們通過將石墨烯層與聚合物介電層分離來克服了這個挑戰。

採用物理氣相沉積法制備了由200納米銀鏡（用於將光反射回到器件中）和80納米厚的氧化矽隔離層組成的柔性基板。然後，利用濕化學自組裝技術將石墨烯基超材料附接上去，其中利用靜電力交替沉積帶正電荷的聚合物介電層和帶負電荷的石墨烯氧化物（GO）層。

「我們先在基板上附著一層聚合物，然後再附著一層GO。」斯威本科技大學光納米材料相互作用研究小組的研究負責人Jiahua Jia教授說。「然後是另一層聚合物和另一層GO，以此類推。正電荷-負電荷、正電荷-負電荷薄膜交替出現。它們相互吸引，所以材料可以自組裝。」

使用該技術將30層左右的石墨烯氧化物堆疊起來，以最大限度地吸光。Jia解釋說：「我們所做的只是將基板浸到石墨烯氧化物溶液中，膜層就會自動生成。使用這種方法，我們不僅可以以納米級精度控制薄膜的厚度，還可以控制薄膜的均勻性。這不需要特殊的設備，簡單又便宜。」

然後用飛秒雷射束對超材料進行切割處理，雷射束會去除一些超材料，在所得截面周圍創建出一個空氣凹槽的光柵結構。雷射束還將GO層轉化為類石墨烯物質，石墨烯氧化物中的氧幾乎完全被去除，而且GO層的厚度減小到約1納米。

光柵結構將射到器件側面的入射光變為沿表面向兩個方向傳播的波導TE和TM模式。「這種結構增加了光的吸收量，是我們實現85％吸收率的關鍵。」Lin說。

• 基於石墨烯的超薄吸光膜的熱影像。圖片來源：斯威本科技大學。

此外，超薄設計減少了材料的用量，使其能夠迅速升溫。「這就是該器件可以在30秒內從30攝氏度升溫到150攝氏度的原因。」他說。此外，超薄的特性使得熱可以很容易地從超材料傳遞到需要加熱的物質（如水），因此可以用於如淡化海水等用途。

Lin指出，研究人員對已得到的結果相當滿意，並將繼續進行一些額外的優化。「我們現在已經取得了良好的平衡，所以我們正在尋求與業界合作來打造相關應用。」他解釋道。該研究團隊已經與一家公司合作來製造一台機器，以規模化石墨烯多膜層製備工藝。

至於商業化，Jia說：「兩到三年是一個合理的時間。但我們認為可能會更快實現。」