莱斯大学：新研究有望改善和调控2D材料的光学特性

莱斯大学的研究人员对2D材料进行了模拟，以量化它们对光的反应，计算单层或堆叠层中原子厚的材料如何透射、吸收和反射光。图片表显示了55种测试材料中几种材料的最大吸光度。图片：莱斯大学

金属或半导体材料吸收、反射和作用于光的能力对于开发光电子学来说至关重要——光电子学是与光相互作用以执行任务的电子设备。莱斯大学的科学家们现在已经开发出一种来确定原子薄材料的光学性质的方法，这种方法有望改善光的调制和操纵。

二维（2D）材料一直是一个热门的研究课题，因为石墨烯是一种扁平的碳原子晶格，于2004年首次被发现。从那时起，科学家们已经开始在理论上或在实验室中开发具有一系列光学、电子和物理特性的新型2D材料。

然而，到目前为止，他们还缺乏这些材料作为超薄反射器、发射器或吸收器提供的光学特性的综合指南。

材料理论家鲍里斯•雅科布森的莱斯实验室接受了这一挑战。Yakobson和他的合着者，研究生和主要作者Sunny Gupta，博士后研究员Sharmila Shirodkar和研究科学家Alex Kutana使用最先进的理论方法来计算55种2D材料的最大光学性质。

“现在我们了解协议的重要一点是我们可以用它来分析任何2D材料，”古普塔说。“这是一项重大的计算工作，但现在可以在更深层次的定量水平上评估任何材料。”

他们的工作在ACS Nano的一篇论文中有所报道，详细介绍了2D材料的透射率，吸光度和反射率，以及它们共同称为TAR的特性。在纳米尺度上，光可以以独特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，简言之即以一个频率吸收光并在另一个频率发射光。

操纵2D材料有助于使研究人员能够设计更小的设备，如传感器或光驱电路。但首先要了解材料对特定波长的光（从红外到可见颜色再到紫外线）的敏感程度。

“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，”Yakobson说。“令人惊讶的是，我们发现大部分特定颜色（波长）的光被吸收或反射都具有丰富的光学特征。”

共同作者预料具有光学方向依赖特性的2D材料可能应用于光检测、调制装置和偏振滤光器。“多层涂层可以提供良好的辐射或光照保护，如激光，”Shirodkar说。“在后一种情况下，可能需要异质结构（多层）薄膜——互补材料涂层。更大的光强可能会产生非线性效应，因此需要进一步研究。”

研究人员模拟了堆栈和单层的2D材料。“堆叠可以扩大光谱范围或带来新的功能，如偏振器，”Kutana说。“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。”

在他们的研究结果中，研究人员证实，石墨烯和硼氧化物的堆叠高度反射中红外光。他们最引人注目的发现是，由超过100个单原子硼层制成的材料——其厚度仅为40纳米——将反射99％以上的红外线到紫外线，超过掺杂的石墨烯和块状银。

有一个附带的好处，也符合雅各布森的艺术感性。“现在我们知道所有这些材料的光学特性——它们在被光线照射时会反射和透射的颜色——可以考虑在纳米尺度上制作蒂芙尼式的彩色玻璃窗”他说。