科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

據(jù)最新一期《自然》雜志報(bào)道，美國(guó)紐約市立大學(xué)研究人員在創(chuàng)造新型光熱材料方面邁出重要一步：他們首次實(shí)現(xiàn)了一種利用電流激發(fā)聲子極化激元的新機(jī)制，為開(kāi)發(fā)更低成本、更小巧的長(zhǎng)波紅外光源和更高效的冷卻設(shè)備開(kāi)辟了新途徑。

人們常常苦惱，手機(jī)用久了就發(fā)燙，未來(lái)這一問(wèn)題有望解決，并且手機(jī)還有望內(nèi)置微小傳感器，以超高靈敏度和精確度識(shí)別危險(xiǎn)化學(xué)品或污染物。

聲子極化激元是一種獨(dú)特的電磁波，當(dāng)光與材料晶格結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)相互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種波。它具有許多獨(dú)特性質(zhì)，例如能將長(zhǎng)波紅外光的能量集中到極小的體積內(nèi)，甚至小到幾十納米，還能形成高效熱傳導(dǎo)通道。這種“光熱雙優(yōu)”的屬性使其成為亞波長(zhǎng)成像、分子傳感器、電子器件內(nèi)熱管理等應(yīng)用的理想選擇。

此次發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵在于，研究團(tuán)隊(duì)將單層石墨烯嵌在兩塊六方氮化硼（hBN）之間，構(gòu)建出一種“三明治”結(jié)構(gòu)。hBN中的雙曲聲子極化激元（HPhP）如同在材料內(nèi)部反復(fù)折射的光線，與石墨烯中高速移動(dòng)的電子發(fā)生強(qiáng)烈碰撞。電子與HPhP碰撞時(shí)，會(huì)將多余的能量轉(zhuǎn)移給HPhP，而HPhP會(huì)迅速將熱量擴(kuò)散到更大的區(qū)域。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅施加1伏特/微米的微弱電場(chǎng)，石墨烯中的電子就如同被注入能量的賽跑選手，能與HPhP發(fā)生高效散射，這凸顯了HPhP電致發(fā)光的效率。該研究首次實(shí)驗(yàn)證明，僅通過(guò)電學(xué)方法就能激發(fā)聲子極化激元。

研究還揭示了HPhP電致發(fā)光背后有趣的物理原理。當(dāng)石墨烯中的電子濃度較低時(shí)，HPhP以帶間躍遷形式發(fā)射。然而，在較高的電子濃度下，HPhP發(fā)射則通過(guò)石墨烯中的帶間躍遷和帶內(nèi)切倫科夫輻射同時(shí)進(jìn)行。

實(shí)現(xiàn)聲子極化激元的電致發(fā)光，不僅為開(kāi)發(fā)納米級(jí)長(zhǎng)波紅外或太赫茲光源開(kāi)辟了新途徑，還為能源應(yīng)用帶來(lái)了新機(jī)遇。從下一代分子傳感到改進(jìn)電子設(shè)備的熱管理，這一創(chuàng)新有望為節(jié)能緊湊型技術(shù)帶來(lái)變革。