当石墨烯与超表面在一起 助推2016年全息光学器件应用

超表面石墨烯
是一种厚度小于波长的人工层状材料，它的金属结构表面阵列对光学有着奇异响应，但这种奇异的响应一旦设计好了，其性质就不发生变化。


最大的好处就在于它的光学响应可通过施加电压进行很好的调制，只要往里面填一点电子，它的光学响应、对光的反射率，就会发生巨大变化。

将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。“撕”出石墨烯的方法让英国的两位科学家在2010年获得了诺贝尔奖。
试想一块材料，光打上去之后，不按镜面反射的角度反射回来，而是像舞台追光灯一样，想让光射到什么方向就能自动调到什么方向，岂不神奇！
最近，复旦大学物理系的一项研究就展示了一种由石墨烯相关结构制成的材料，使这个设想有可能成为现实，相关研究报告日前发表在美国物理学会权威期刊《物理评论X》上。
这项研究将很大程度上助推全息光学器件的应用。全息之所以能够真实成像，就在于全息板、片上每一点都记录了影像的反射相位。而如果局域每一点都实现相位自由调控的话，拿光一打，这个全息影像就能够动起来。没准在不久的将来，我们步入电影院，享受一部比3D电影更为炫酷的全息电影。
反射相位动态可调
一束正入射的光，通过改变材料的反射相位分布，就可以实现30度出射或80度出射
想得到这种奇特的材料，最关键的技术，是实现电磁波相位的自由调控，这既是此项研究最重要的突破，也是光子学研究中的核心问题。
啥是电磁波的相位？该发表论文通讯作者之一、“长江学者”特聘教授周磊对科技日报记者介绍道：“所有的波都有振幅和相位，电磁波也不例外。振幅决定了一支波的最大振动范围，而相位决定了波的值什么时候大，什么时候小。”它是描述波是否处于波峰、波谷或它们之间某点的一种标度。比如一支波当其相位为零时，波达到最大值；相位为90度时，波为零；相位为180度时，波又到达负的最大值，如此类推，循环往复。
“相位调控的重要作用在于，如果材料上每一点的反射相位不同，就可以使光打到上面时入射角和反射角不同”，周磊举例说，比如一束正入射的光，通过改变材料的反射相位分布，就可以实现30度出射或80度出射等等。
事实上，三年前周磊课题组在一项发表于《自然•材料》的研究中就已实现光反射角度的改变。“但我们先前的研究是死的、被动的，材料一旦做好了就只能让光以特定角度射出。而用现在新的机理，每一点的相位理论上都是动态可调的，通过相位改变能对光产生不同的干涉效果，按需要打到不同的方向。”
给点儿电压，它就“灿烂”
对石墨烯而言，只要往里面填一点电子，它的光学响应、对光的反射率，就会发生巨大变化
复旦大学科研团队是通过什么样的方式，成功实现对电磁波相位的动态、大幅调控呢？他们想到了一个新奇的办法——通过对石墨烯施加电压调节其吸收，进而调控石墨烯相关体系的共振特性，使其实现从欠阻尼到过阻尼的共振演化。
一个振子在振动时因遭受空气阻力而产生能量损耗，振幅随时间推移越来越小，这就叫振动的阻尼。周磊介绍说：“当阻尼很小的时候，对振动的作用很小，这就是‘欠阻尼’振动，这时电磁波的相位会随着频率的变化而发生很大的变化；当阻尼很大时，比如将一架小秋千放入一桶油里面，这个秋千可能连一次振动都不做到就停下来了，这种振动模式就叫做‘过阻尼’振动，这时频率虽然变化，可电磁波相位甚至动都不动，根本就不响应。”也就是说，从欠阻尼到过阻尼的演化过程中，相位也从一个能够产生很大变化的区域，一下子到了一个不怎么变的区域，这就使得相位调控的范围可以很大。先前一些只在一个固定的过阻尼或欠阻尼区域内进行调控的研究，能实现的调控范围就很小，比如只有30度。“我们的研究原则上能做到360度整个相位全覆盖。”周磊表示。
什么物质能有如此灵敏的光学响应，让研究团队最终制出了神奇的反射材料？答案要从石墨烯中找。“石墨烯最大的好处就在于它的光学响应可通过施加电压进行很好的调制。如果一般的铜、金、银这些金属，你也可以给它加电压、填电子，但它里面电子已然数目异常巨大，往里加个把电子，它‘看不见’，光学响应没什么变化”，周磊指出，而对石墨烯，只要往里面填一点电子，它的光学响应、对光的反射率，就会发生巨大变化。其绝对变化不会太大，但相对变化会非常剧烈。所以研究团队想到了用它来和超表面结合，制成特殊材料。
让石墨烯与超表面亲密接触
“我们的发现，为实现基于大幅相位调控的光子器件，打下了坚实的基础”
周磊向记者介绍：“这项研究由物理系张远波课题组和我们共同完成。张远波团队在石墨烯研究方面有着深厚的积累，而我们则主攻超表面领域。”
超表面是一种对光学有着奇异响应的金属结构表面阵列，但这种奇异的响应是动不了的，一旦设计好了，其性质就不发生变化。
“于是我们就想到用石墨烯把它调得能够实现动态变化，便与远波团队一起合作。两个课题经过三年的攻坚终于取得了这项成果。”周磊说。
不仅能够动态调控，石墨烯与超表面耦合在一起的反射体系，还具有超薄、极小的特点。用传统液晶及其他半导体材料制成的相位调制体系的厚度，如果以光的波长为单位来衡量，通常需是波长的很多倍，而石墨烯超表面的厚度则只有十分之一个波长。不仅超薄，在光斑横向的尺度上，这种新材料也能做到极小。
最后，作为应用实例，研究还展示了一个基于石墨烯超表面的太赫兹偏振调节器。周磊指出：“太赫兹波段的波长所对应的尺度大概是几十到上百微米，这个波段是非常重要有用的，但是在该波段内能做出一些动态器件却是很不容易的。总之，我们的发现，为实现基于大幅相位调控的光子器件，打下了坚实的基础。”
许多项研究向我们展示了石墨烯的惊人特征，果壳网署名魏郎尔的文章称，但这些美妙的特性对样品质量要求非常高。要想获得电学和机械性能都最佳的石墨烯样品，需要最费时费力费钱的手段：机械剥离法。
2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈•盖姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。他们不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。两人也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。
看起来虽然所需的设备和技术含量看起来都很低，但问题是这样做的成功率更低，要论产业化，这手段毫无用途。哪怕你掌握了全世界的石墨矿，一天又能剥下来几片？
当然现在我们有了很多其他方法，能增加产量、降低成本。例如，我们有液相剥离法：把石墨或者类似的含碳材料放进表面张力超高的液体里，然后超声轰炸把石墨烯雪花炸下来。我们有化学气相沉积法：让含碳的气体在铜表面上冷凝，形成的石墨烯薄层再剥下来。我们还有直接生长法，在两层硅中间直接设法长出一层石墨烯来。还有化学氧化还原法，靠氧原子的插入把石墨片层分离，如此等等。方法有很多，也各自有各自的适用范围，但麻烦的是这些办法生产的石墨烯产品质量又掉下去了。
这些办法为什么做不出高质量的石墨烯？举个例子。虽然一片石墨烯的中央部分是完美的六元环，但在边缘部分往往会被打乱，成为五元或七元环。这看起来没啥大不了的，但是化学气相沉积法产生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、从一点上生长出来的一片。它其实是多个点同时生长产生的“多晶”，而没有办法能保证这多个点长出来的小片都能完整对齐。于是，这些畸形环不但分布在边缘，还存在于每“一片”这样做出来的石墨烯内部，成为结构弱点、容易断裂。更糟糕的是，石墨烯的这种断裂点不像多晶金属那样会自我愈合，而很可能要一直延伸下去。结果是整个石墨烯的强度要减半。

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