圖片來源:《科學》雜志網(wǎng)站

據(jù)最新一期《自然》雜志報道,美國紐約市立大學研究人員在創(chuàng)造新型光熱材料方面邁出重要一步:他們首次實現(xiàn)了一種利用電流激發(fā)聲子極化激元的新機制,為開發(fā)更低成本、更小巧的長波紅外光源和更高效的冷卻設備開辟了新途徑。

人們常常苦惱,手機用久了就發(fā)燙,未來這一問題有望解決,并且手機還有望內(nèi)置微小傳感器,以超高靈敏度和精確度識別危險化學品或污染物。

聲子極化激元是一種獨特的電磁波,當光與材料晶格結(jié)構(gòu)中的振動相互作用時,就會產(chǎn)生這種波。它具有許多獨特性質(zhì),例如能將長波紅外光的能量集中到極小的體積內(nèi),甚至小到幾十納米,還能形成高效熱傳導通道。這種“光熱雙優(yōu)”的屬性使其成為亞波長成像、分子傳感器、電子器件內(nèi)熱管理等應用的理想選擇。

此次發(fā)現(xiàn)的關鍵在于,研究團隊將單層石墨烯嵌在兩塊六方氮化硼(hBN)之間,構(gòu)建出一種“三明治”結(jié)構(gòu)。hBN中的雙曲聲子極化激元(HPhP)如同在材料內(nèi)部反復折射的光線,與石墨烯中高速移動的電子發(fā)生強烈碰撞。電子與HPhP碰撞時,會將多余的能量轉(zhuǎn)移給HPhP,而HPhP會迅速將熱量擴散到更大的區(qū)域。

實驗發(fā)現(xiàn),僅施加1伏特/微米的微弱電場,石墨烯中的電子就如同被注入能量的賽跑選手,能與HPhP發(fā)生高效散射,這凸顯了HPhP電致發(fā)光的效率。該研究首次實驗證明,僅通過電學方法就能激發(fā)聲子極化激元。

研究還揭示了HPhP電致發(fā)光背后有趣的物理原理。當石墨烯中的電子濃度較低時,HPhP以帶間躍遷形式發(fā)射。然而,在較高的電子濃度下,HPhP發(fā)射則通過石墨烯中的帶間躍遷和帶內(nèi)切倫科夫輻射同時進行。

實現(xiàn)聲子極化激元的電致發(fā)光,不僅為開發(fā)納米級長波紅外或太赫茲光源開辟了新途徑,還為能源應用帶來了新機遇。從下一代分子傳感到改進電子設備的熱管理,這一創(chuàng)新有望為節(jié)能緊湊型技術帶來變革。