石墨烯由于可被制造成導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體，因而一直被視為是未來(lái)的神奇材料?，F(xiàn)在，IBM公司還為石墨烯開啟在光電領(lǐng)域的嶄新應(yīng)用──透過(guò)展示一種可為石墨烯帶來(lái)光子特性的石墨烯/絕緣體超晶格，使其可實(shí)現(xiàn)達(dá)兆赫(terahertz；THz)級(jí)頻率的陷波濾波器與線性偏光片等光學(xué)元件，有助于在未來(lái)擴(kuò)展至中紅外線和遠(yuǎn)紅外線波段的光電設(shè)備，如探測(cè)器、調(diào)變器與 3D 超穎材料應(yīng)用中。
 

「除了具有良好的電氣特性以外，石墨烯還具有特殊的光學(xué)性質(zhì)。特別是它能吸收從遠(yuǎn)紅外線到紫外線波段的光線，」IBM院士Phaedon Avouris表示?！窱BM公司對(duì)于THz級(jí)頻率范圍特別感興趣，因?yàn)檫@些頻率范圍具有安全應(yīng)用中所需穿透紙張、木材及其他固體物體的性能。遺憾的是，目前僅能透過(guò)偏光和濾波作用等幾種方式來(lái)操控THz級(jí)波段，但由于石墨烯能在THz級(jí)頻率有效運(yùn)作，我們正專注于開發(fā)出這一類的元件。」

THz級(jí)頻率振蕩作用可由石墨烯透過(guò)等離子體進(jìn)行傳導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)低損耗的可調(diào)諧濾波器。根據(jù)IBM表示，由于單層石墨烯的載子濃度與共振頻率不足，無(wú)法用于光電應(yīng)用中；因此，透過(guò)采用多層的石墨烯/絕緣層超晶格，透明的元件可被圖形化印制于光電晶體中，并在各層有效地散布載子，以強(qiáng)化載子濃度與共振頻率。

「我們發(fā)現(xiàn)石墨烯與電磁輻射的互動(dòng)在THz級(jí)范圍時(shí)特別強(qiáng)烈，但采用單層石墨烯時(shí)的互動(dòng)仍然不足，」IBM T. J. Watson Research Lab奈米科學(xué)與技術(shù)部門研究員Hugen Yan表示，「透過(guò)采用微碟陣列中的多層堆疊結(jié)構(gòu)，我們可在THz級(jí)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率的可選擇性，讓我們能夠調(diào)整所需的共振頻率?！?br />
透過(guò)石墨烯/絕緣體微碟圖案陣列，IBM發(fā)現(xiàn)可經(jīng)由使用各種不同的微碟尺寸、層數(shù)、間距以及摻雜石墨烯層，以調(diào)整出所需的共振頻率。經(jīng)過(guò)多次分析，IBM并發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體超晶格，石墨烯/絕緣體超晶格可根據(jù)管理迪拉克費(fèi)米子(Dirac fermions，如夸克、輕子、重子與強(qiáng)子)的原則，使其具有一種獨(dú)特的載子密度微縮規(guī)律。

因此，IBM公司已經(jīng)能夠證明圖形化石墨烯/絕緣體堆疊能夠建置一種具有8.2dB抑制比的廣泛可調(diào)諧陷波濾波器，以及具有9.5dB穿透率消光比的THz級(jí)線性偏光片。此外，IBM公司還展示這種石墨烯/絕緣體超晶格能夠在低于1.2THz的頻率范圍內(nèi)避開97.5%的電磁輻射。

未來(lái)，該研究小組并計(jì)劃調(diào)整其石墨烯/絕緣體超晶格，進(jìn)一步瞄準(zhǔn)當(dāng)今光通訊設(shè)備所用的紅外線頻率。


(參考原文：IBM demos terahertz graphene photonics，by R. Colin Johnson)