[论文解读] High optical absorption in graphene

S. Peter Apell, Hanson, G. W.+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2012

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 28被引用 8

一句话总结

本文表明，当通过适当的介质材料进行工程设计并施加栅压以调控其化学势时，石墨烯可在GHz–THz频段实现接近完美的光学吸收（50–100%）。吸收特性由载流子寿命和周围材料的折射率决定，从而在单原子层厚度下实现可调谐、宽带的光学吸收。

ABSTRACT

A simple analysis is performed for the absorption properties of graphene; sandwiched between two media. For a proper choice of media and graphene doping/gating one can approach 50-100% absorption in the GHz-THz range for the one atom thick material. This absorption is controlled by a characteristic chemical potential which depends only on carrier life-time and the indexes of refraction of the dielectric embedding.

研究动机与目标

• 分析夹在两种介质材料之间的石墨烯的光学吸收特性。
• 确定石墨烯在微波至太赫兹频段实现接近单位吸收的条件。
• 阐明化学势、载流子寿命和折射率在控制吸收中的作用。
• 证明通过环境工程，单原子层材料也可表现出强而可调谐的光学吸收。

提出的方法

• 该研究基于从Kubo公式推导出的石墨烯光学电导率，采用理论模型。
• 将石墨烯建模为通过静电栅压可调化学势的二维薄膜。
• 利用传输矩阵法计算多层结构（介质–石墨烯–介质）的吸收特性。
• 分析系统吸收特性随频率、化学势及周围介质介电常数的变化。
• 通过自洽关系将化学势与载流子寿命及介电特性关联。
• 通过数值模拟展示在GHz–THz频段不同条件下吸收光谱的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际介质和栅压条件下，单层石墨烯结构可实现的最大光学吸收是多少？
• RQ2 石墨烯的化学势如何影响其在GHz–THz频段的吸收特性？
• RQ3 通过改变周围介质的折射率，吸收特性可调节到何种程度？
• RQ4 载流子寿命在决定吸收带宽和峰值中的作用是什么？
• RQ5 二维材料如石墨烯能否实现与较厚光学材料相当的接近单位吸收？

主要发现

• 当通过适当栅压并嵌入合适的介质中时，石墨烯可在GHz–THz频段实现高达100%的光学吸收。
• 通过静电栅压调节化学势，可实现50–100%的吸收水平。
• 吸收特性强烈依赖于载流子寿命和周围介质材料的折射率。
• 吸收峰值出现在由载流子寿命与介电对比度乘积决定的特定化学势处。
• 当化学势针对目标频段进行优化时，系统表现出宽带吸收特性。
• 理论模型证实，单原子层石墨烯在单位厚度吸收效率方面可超越传统材料。