石墨烯之飽和吸收性質_機理 (#18)

01-29

2015-7-20

當輸入的光波強度超過閾值時，這獨特的吸收性質會開始變得飽和。這種非線性光學行為稱為可飽和吸收（saturablenabsorption），閾值稱為飽和流暢性（saturablenfluency）。給予強烈的可見光或近紅外線激發，因為石墨烯的整體光波吸收和零能隙性質，石墨烯很容易就可以變得飽和。用石墨烯製備成的可飽和吸收器能夠達成全頻帶鎖模。石墨烯複合材料作為可飽和吸收體材料用於光纖激光器（fibernlaser）中用於鎖模（modenlocking）、Q-開關、光脈衝整形、光開關、光學信號處理等。由於這特殊性質，在超快光子學（photonics）里，石墨烯有很廣泛的應用空間。

如圖所示，初始在光子的照射下，價帶上的電子吸收光子的能量躍遷至導帶(a)。隨後熱載流子能量降低到平衡態。由於電子是費米子，遵循泡利不相容原理，所以每個電子將按照費米-狄拉克分布從低能量的狀態開始佔據一個能量狀態。價帶的電子也將重新分布到低能量狀態，能量高的狀態被空穴佔據。這個過程同時伴隨著電子-空穴複合和聲子散射(b)。在光強足夠大的狀態下，電子被源源不斷激勵到導帶，最終價帶和導帶光子能量的子帶完全被電子和空穴佔據，帶間躍遷被阻斷，此時石墨烯飽和，光子無損耗的通過(c)。上述電子被激勵到導帶的動力學過程中存在兩個超快的弛豫時間，分別是:(1).通過載流子-載流子散射實現帶內載流子的熱平衡 τ1；(2)載流子-聲子散射和帶間載流子的複合 τ2。相比於 τ1，不同的生長條件對 τ2影響更為明顯，因為帶內載流子的熱平衡時間極短，大概在 0.07-0.12ps，可以有效的穩定鎖模，產生飛秒脈衝。而帶間載流子複合時間較長，在 0.4-1.7ps範圍內，可以起到啟動鎖模的作用。

一般而言，可飽和吸收體為具有一定光損耗的光學部件，所述光損耗在高光強度下降低。可飽和吸收體的主要應用是在激光器的鎖模和Q-開關中，即短脈衝的發生。但可飽和吸收體通常還可用在光學信號的處理中。石墨烯是一種機械和化學上穩健的材料，具有高傳導率和有利的光學性質，例如帶間光躍遷和通用光傳導率。就其用作可飽和吸收體的用途而論，石墨烯材料還具有較低的不飽和損耗、較高的轉換效率和寬頻可調諧性。石墨烯的超快恢復時間也促進超短脈衝發生（皮秒到飛秒脈衝）。通過使用單到多層石墨烯或與其他材料摻雜/插層，光調製深度可在寬範圍內調節。

石墨烯是形成蜂窩狀晶格的 SP2-雜化碳的單原子層，在能帶結構中電子和空穴圓錐交叉（狄拉克點）處具有線性能譜。Dirac電子使石墨烯具有非常寬的光吸收頻譜，範圍從可見光到紅外光，甚至比 III-V族半導體來得寬。原因在 Dirac點為石墨烯能帶結構內的電荷中性點的位置。也就是線性價帶與線性導帶的交點，由於未摻雜石墨烯的費米能階與 Dirac點重迭，故此位置對石墨烯性質有決定性影響。再者，隨著波長減少，吸收係數增大，入射光功率幾乎被材料吸收，光導率將達到峰值。當波長再減少時，吸收係數進一步增加，靠近材料表面附近的光生載子比較密集，致使複合增加，光生載子壽命減低，量子效率也隨之下降，向短波常方向的光譜響應顯著下降。

原則上，在強激發下，由於泡利阻塞即光生載流子在亞皮秒內冷卻形成新的 Fermi-Dirac分布而新產生的電子-空穴對阻塞一些原先可能的光躍遷，故零帶隙石墨烯中的光子帶間吸收可易於飽和。隨著激發增至足夠高的強度，光生載流子具有高濃度，並可能導致靠近導帶和價帶邊緣的態的填充而進一步阻斷吸收，因此其對光子能量略高於帶邊緣的光透明。帶填充因沒有兩個電子可填充相同的態而發生。因此，由於該泡利阻塞過程而獲得可飽和吸收或吸收漂白。原則上，石墨烯可以是完美的可飽和吸收體。

石墨烯除了光飽和吸收性之外，還出現微波和太赫茲飽和吸收性質。湖南大學研究人員採用光學倍頻技術產生大約 100GHz低頻段太赫茲波的微波信號，發現通過以 0.8GHz的頻率間隔從 96GHz不斷的調節微波頻率直到 100GHz（調製深度為 4.58%至 12.77%），石墨烯的微波飽和吸收性就會被證實。而石墨烯證實能吸收超過 2%的可見光，藉由將石墨烯與光學共振器耦合，進一步將它在遠紅外及微波範圍的吸收率提升至 45%以上。我們相信石墨烯的許多新的微波光子特性能夠給未來的微波通信帶來變化—如微波信號處理、無線寬頻接入網路、感測器網路、雷達、衛星通信等。