光电集成芯片可以最大限度发挥光子传输、电子计算的优势，是获取跨越式信息处理能力的关键器件。现有硅基光电集成方案主要通过光电效应实现光电信号转换，其中光模块主要依赖光纤、波导和微镜等技术。但是由于光学衍射极限的限制，微米尺寸的光传输模块难以与纳米尺寸的电计算模块联接融合，严重制约光电芯片集成度的提升。为此，国家纳米科学中心戴庆研究团队提出利用范德华材料极化激元压缩光波，并在纳米尺度上对光进行“操控”，有望为光电互联提供新的方案。
在前期的研究工作中，戴庆课题组与合作者突破了传统静电掺杂和液体化学掺杂技术难以兼顾载流子迁移率和浓度的瓶颈，发展了兼具高迁移率和高浓度的气相化学掺杂技术，实现了石墨烯费米能级从0到0.7 eV宽范围调制，获得了迄今为止室温下石墨烯等离激元的最远传输记录（Nature Communications, 2022, 13: 1465.）。此外，通过激发结构的设计，实现了α-MoO3中双曲声子极化激元的面内光学聚焦（Advanced Materials, 2022, 34(23): 2105590.）。
在此基础上，研究团队构建了高质量的石墨烯/α相氧化钼异质结，实现了异质结中杂化极化激元等频色散轮廓从开口到闭合的原位、动态、可逆拓扑转变，打破了声子极化激元传输受支撑材料晶向的限制。此外，基于介电环境对杂化极化激元色散的影响，研究团队进一步构造了宽度仅有1.5μm 的二氧化硅平面透镜，实现了极化激元椭圆传播模式的纳米聚焦。不仅将入射光的波长压缩至原来的4.8%，同时能量增强4.5倍。这项研究利用极化激元实现纳米尺度光的操控，未来有望应用于纳米尺度光电融合与器件集成等诸多领域。
石墨烯
图. （a）近场光学实验观测石墨烯/α-MoO3异质结中杂化极化激元拓扑转变以及衬底调控拓扑极化激元平面聚焦示意图。（b）拓扑极化激元平面聚焦近场光学成像图。 8月18日，相关研究成果以Doping-driven topological polaritons in graphene/α-MoO3 heterostructures为题，发表在Nature Nanotechnology期刊上。韩国科学技术高等研究院的Min Seok Jang教授在同期发表的新闻和评述文章里评价该工作突破了传统声子极化波受限于晶格结构而难以调控的难题，为极化波解锁了重要的调控功能，对将来实现纳米成像、光学传感和纳米级能量操纵等应用意义重大。
国家纳米科学中心戴庆研究员，西班牙光子科学研究所Javier García de Abajo教授和Renwen Yu为该文章的共同通讯作者，中心胡海副研究员为共同一作和共同通讯作者之一，博士研究生陈娜和滕汉超是共同一作。上述研究工作获得了国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家自然科学基金、中科院人才项目及中科院战略性先导科技专项B类等项目的支持。
论文链接:https://doi.org/10.1038/s41565-022-01185-2
文章来源：国家纳米科学中心
戴庆，国家纳米科学中心研究员，博士生导师 。2003-2007年在英国帝国理工大学电子工程系获得学士、硕士学位，2011年在英国剑桥大学工程系获得博士学位，之后在英国剑桥大学光电子研究中心从事低维纳米材料的光电特性及器件的博士后研究工作。2012年当选剑桥大学Wolfson学院Junior Research Fellow，同年5月加入国家纳米科学中心。2014年获得中科院卢嘉锡青年人才奖。目前主要从事纳米尺度光电调控与器件研究，电控光-基于石墨烯等离激元的新型纳米光子器件的构筑与性能调制，光控电-光辅助碳纳米管场发射的物理机制与高性能X光源设计等方面的研究工作。已在Nature Communications，Advanced Materials，Small，Nanoscale，Nanotechnology和Applied Physics Letters等国际学术期刊上发表论文40余篇，申请发明专利20余项。 李培宁，华中科技大学光电信息学院/武汉光电国家研究中心教授、博士生导师。博士毕业于德国亚琛工业大学，西班牙CIC Nanogune研究中心“欧盟玛丽居里学者”博士后。近年来高水平论文包括：Science 1篇、 Nature 3篇、 Nature Materials 1篇、Nature Photonics 1篇、Nature Communications 4篇、Light: Science & Applications 1篇、Advanced Materials 1篇、Nano Letters 4篇、ACS Nano 1篇。研究成果被Science、Nature、Nature Materials、ACS Nano、IEEE Spectrum、Laser Focus World等亮点评论推荐，研究成果入选“2018年中国光学十大进展”（基础研究类）。得到多项荣誉和奖励的肯定，如“2014年度国家优秀自费留学生奖学金”、“2015年度欧盟玛丽居里学者奖”等。主持和参与多项重要科研项目，目前作为负责人承担国家面上自然科学基金和装发部研究项目，曾主持欧盟“玛丽居里学者”研究课题，并作为主要研究人员参与“欧盟地平线Horizon 2020：石墨烯研究旗舰计划”、“德国科研振兴计划”等多项重要课题。
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发表于 2022-8-24 16:34:05
