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来源:大国重器

来自美国莱斯大学的研究人员使用定性分析建模和第一性原理计算以确定55种不同2D材料中最大光学响应的理论极限。该研究提出了几种可用于光电应用的超薄反射器和吸收器的二维材料。

图为测试的55种材料中几种的最大光吸收率


研究内容


研究人员模拟了包括透射率(T)、吸收率(A)和反射率(R)在内的特性——统称为TAR——并进行了计算调查,以寻找从中红外(MIR)到紫外(UV)各种频率范围内具有最佳吸收率和反射率特性的材料。

2D材料一直用于改进光电子器件中的光调制和处理。Boris Yakobson教授说:“一般来说,人们普遍认为2D材料非常薄,看起来基本上是透明的,反射和吸收可以忽略不计。令人惊讶的是,我们发现每种材料都具有富有表现力的光学特征,对于特定颜色(波长)的光具有很强的吸收或反射能力。”


新发现


研究人员对2D叠层和单层进行了建模,并验证了石墨烯和硼氧化物叠层对中红外光的高度反射特性。他们还发现,由100多个单原子硼层制成的材料——厚度仅约为40纳米——可以反射超过99%的从红外线到紫外线的光,超过掺杂的石墨烯和块状银。

研究员Alex Kutana说:“堆叠可以扩大光谱范围或带来新的功能,如偏振器。我们可以考虑使用堆叠的异构结构模式来存储信息,甚至可以用于加密。”


意义


了解材料对特定波长的光(从红外到可见光到紫外线)的敏感程度,可以帮助研究人员操纵二维材料来设计传感器或光驱电路等设备,以实现尺寸越来越小。在纳米尺度上,光可以以不寻常的方式与材料相互作用,促使电子—光子相互作用或触发等离子体,其以一个频率吸收光并在另一个频率发射光。

研究员Sunny Gupta说:“现在我们了解该工作的重要一点是我们可以用它来分析任何2D材料。这是一项重大的计算工作,但就目前的水平来说,实现在更深层次的定量水平上评估任何材料是可行的。”

研究人员将光电探测器、调制设备和偏振滤光片视为具有方向相关光学特性的2D材料的可能应用。例如,多层2D涂层可用于提供对来自激光的辐射或光的保护。研究人员Sharmila Shirodkar说,在激光的情况下,可能需要异质结构薄膜。他说:“更强的光线强度会产生非线性效应,并且考虑到那些肯定需要进一步研究。”


参考文献


In Pursuit of 2D Materials for Maximum Optical ResponseSunny Gupta, Sharmila N. Shirodkar, Alex Kutana, and Boris I. Yakobson. ACS Nano, Article ASAP. DOI: 10.1021/acsnano.8b03754


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