用于非偏振光的极宽带吸收的90 nm厚石墨烯超材料

光学强吸收体是一种重要的光学材料，具有广泛应用。理想的光学吸收体是一种类似于黑体的材料，其特性是能在宽光波长带宽中吸收各种角度和偏振入射的光波能量。这种强吸收体有着广泛的用途，如太阳能光热能量转换、海水淡化等，并可作为热发射源、光调制器、探测器等光电器件。

吸收体按照厚度和工作原理可分为两种：厚吸收材料主要基于非相干吸收原理，比如碳纳米管阵列或等离子体纳米复合材料，使用随机分布和取向的纳米粒子来实现强吸收。然而，它们高厚度（10微米-100微米）会影响设备集成且器件性能不佳。另一种是薄膜吸收体材料，是基于相干吸收原理，其优势是易于集成。现有的薄膜吸收体材料包括金属超材料、介电材料光栅、二维材料吸收体和双曲超材料纳米颗粒组成的分层结构材料。虽然其中一些薄膜吸收体材料实现了宽带、偏振无关的吸收性能，但大多数薄膜吸收体只能通过使用复杂的结构设计实现单偏振态或窄带吸收，而且结构的加工需要用到复杂的纳米加工技术，这极大的限制了薄膜吸收体材料的实际应用。因此设计和制作高性能的薄膜吸收体材料面临巨大的挑战。

最近，澳大利亚斯威本科技大学微光子学中心贾宝华教授课题组与悉尼大学Martijn de Sterke教授课题组合作，利用石墨烯超材料配合飞秒激光加工技术成功制备出大面积、深亚波长厚度、超宽带、偏振不敏感的高吸收体材料。这种基于石墨烯超材料光栅结构的高吸收超薄材料由交替的石墨烯和介电层组成，如图1所示。这种材料实现了偏振无关的覆盖太阳全光谱的超宽带（300-2500 nm）、深亚波长厚度（90 nm）及大角度吸收特性，并且可以贴覆在柔性衬底上。这种吸收材料的超宽带宽是通过不同光吸收方式无缝组合而实现：在长波长下，光栅的存在是无关紧要的，该吸收材料充当均匀的薄膜；在光谱的可见部分，光栅将多个衍射级次的光耦合到石墨烯超材料中，实现吸收；在中近红外波长处，光栅激发波导模式使光沿超材料面内传输，实现吸收。这种石墨烯超材料使用了低成本可大面积生产的溶液法制作，其光栅结构则使用激光直写的方法制作。因此，这种石墨烯超材料吸收体的制作可以实现低成本及规模化。

该研究团队展示了石墨烯超材料吸收体在太阳能光热转换中的优异性能。研究结果显示由于石墨烯超材料吸收体超薄的特性，其在太阳光照射下温度可以迅速上升到160℃，明显高于目前最优的厚吸收体（升温到60℃）。这种石墨烯超材料为基于二维材料的大面积强吸收光子器件的应用开辟了新途径。该工作发表在Nature Photonics(doi: https://doi.org/10.1038/s41566-019-0389-3)上。