由美国普渡大学(Purdue University)与丹麦技术大学(Technical University of Denmark)科学家连手组成的国际研究团队日前发现，利用一种新颖的碎形超颖表面(fractal metasurface)设计，有助于使石墨烯天然的光吸收能力提高10倍以上。
这项研究发表在《纳米通讯》(Nano Letters)期刊的“以不规则的碎形超颖表面增强石墨烯光侦测器”(Enhanced Graphene Photodetector with Fractal Metasurface)一文，研究人员详细介绍由于碎形的超颖表面有助于促进电洞对的产生，因而能大幅改善石墨烯天生较差的光吸收能力。
这种新的研究途径较一般依赖窄频与偏振特性的电浆纳米结构解决方案更胜一筹。研究人员强调，他们提出的纯金碎形超颖表面设计在可见光谱部份具有更好的光吸收性，而且对于偏振并不灵敏。
这种超导表面是由厚度与宽约40n的纯金线组成，再透过电子束微影从Ti (3nm)/Au (40nm)金属化层进行图形化，成为紧致密实的不规则雪片几何图案。
基于石墨烯的碎形光侦测器概念图 （来源：普渡大学）
这种树状结构的直径约10μm，包括6个新分支从每一新根点延伸4 层，另外的3层碎形结构以同心圆的方式聚集原始的碎形部份。在进行实验时，碎形超颖表面连接至石墨烯场效电体(FET)的汲极(石墨烯层在高度掺杂的硅基板上生长)，并从源极延伸出圆形的纯金图形。
为了进行比较与参考，研究人员还制作了一种与碎形超颖表面增强FET平行的“正极线与负极线”(tip-and-ring)结构，而无需碎形超颖表面。
具有碎形超颖表面以及tip-and-ring结构(右下白线尺度约10um)的石墨烯光侦探测器SEM影像图；图中嵌入影像显示金箔碎形超颖表面的放大图(白色尺度约1μm) （来源：普渡大学）
为了与其数值模拟一致，研究人员观察到当可见光射在碎形颖表面时，会在碎形结构中发射电浆振荡，从而限制与增强纳米级结构中入射电磁波的电场。这将有助于广泛的电洞对产生，以及透过石墨烯中的电子与电子互动，从而提升电子的温度。
接着，透过内建的电场(PV)以及金石墨烯接口上的热电功率差(PTE)隔离/驱动所产生的载子，产生可被侦测的光电电压。
使用雷射作为光源聚焦于雪花电极上，研究人员得以在不同的波长、零闸极电压以及源极-汲极偏压时测量光电输出。纯金的雪片电极可实现较参考正负电极更高10-16倍的性能。
研究人员还观察到光电压的大小随着源极-汲极偏压的增加而增加，而且，光电压还可以调整到零偏压时的三倍。
虽然所有的实验都是用一种特定的雪片设计，但研究人员注意到，碎形超颖表面简单和向内的可伸缩性使其适于更进一步紧密化，以及易于适应各种不同的几何形状(整体覆盖面积不至于因碎形增加而改变，因此该设计可被进一步优化)。
除了石墨烯以外，研究人员并建议，这种碎形的超颖表面还与能与其他材料制成的光电或光热电组件整合，开启更多新应用。
编译：Susan Hong
本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载
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