石墨烯「殺手鐧級別」高端應用來了！我國製備出首個基於石墨烯電光器件！

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導讀

石墨烯具有強烈的三階非線性效應。這使其在微納光子學、激光產業、生物成像等領域具有巨大的應用潛力。我國科學家製備出了國際上首個基於石墨烯三階非線性光學效應的電光器件，電學的調控比可達幾個數量級，有望為石墨烯產業提供一種殺手鐧級別的高端應用。

石墨烯具有強烈的三階非線性效應。這使其在微納光子學、激光產業、生物成像等領域具有巨大的應用潛力。然而，過去的實驗報道無法對石墨烯三階非線性係數形成統一的觀點，不同實驗結果甚至有著高達6個數量級的差異。

研究人員採用離子凝膠技術製備石墨烯場效應晶體管器件，並通過大範圍調控石墨烯中的載流子密度和化學勢逐一控制相關量子共振躍遷通道的研究方法。研究發現，石墨烯中的化學勢會強烈地影響其三階非線性光學響應，而且不同的三階非線性效應對化學勢的依賴關係完全不同。

近日，復旦大學物理學系教授吳施偉課題組聯合中科院長春光機所程晉羅副研究員、中國科學技術大學曾長淦教授、北京大學劉開輝研究員和加拿大多倫多大學的J. E. Sipe教授，利用離子凝膠技術（ion-gel）實現了石墨烯中三階非線性和四波混頻非線性光學現象的電學調控和增強效應，並通過理論推導揭示其內在的物理機制，研究成果以「Gate-tunable third-order nonlinear optical response of massless Dirac fermions in graphene」為題於倫敦時間5月21日在線發表於Nature Photonics上。

圖1、基於離子凝膠調控技術的石墨烯場效應晶體管器件示意圖

圖2、不同化學勢μ和光子能量下的THG信號強度

研究團隊揭示了躍遷通道間的干涉效應在石墨烯非線性光學效應中的主導作用，澄清了之前國際上不同課題組在三階非線性光學係數上分歧的來源，並且指出了通過化學勢來大範圍調控石墨烯非線性光學效應的途徑。與此同時，本研究工作製備出了國際上首個基於石墨烯三階非線性光學效應的電光器件，電學的調控比可達幾個數量級。鑒於近年來石墨烯在大面積低成本生長製備方面的重大突破，這一電光調控機制有望為石墨烯產業提供一種殺手鐧級別的高端應用。

中科院長春光機所郭春雷中美聯合光子實驗室的程晉羅副研究員，為此項研究工作提供了理論支持。

完

資料來源：中科院長春光機所，石墨烯資訊編輯整理

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