李倩课题组在基于原子系统的等离激元-声子强耦合光热调控方面取得重要进展

近日，信息工程学院李倩课题组在国际知名期刊《Carbon》（影响因子10.9）上发表题为“Strong plasmon−phonon coupling for graphene/hBN thermal emitter atomic system”的文章，该研究实现了基于石墨烯/hBN热辐射原子系统的等离激元-声子强耦合过程并进一步提出了中红外多通道热辐射光谱及能量的精确调控方案，该光热调控策略对太阳能热电收集，自适应温度调节以及红外热扫描成像等领域的研究提供了新的思路。

热辐射是自然界中一种基本的光发射现象，根据普朗克定律，任何非零温度的物体都会产生热辐射，传统黑体辐射具有各向同性、宽带、非相干和非偏振的特点。在近十年中，利用纳米结构材料在精确控制热辐射光谱、方向性、偏振和时间响应等方面取得相当大的进展。如今，光谱可调热辐射已经在热成像、温度调节和太阳能收集方面具有丰富应用。目前，利用石墨烯和六方氮化硼（hBN）材料设计可调谐热辐射器件是一个研究热点。石墨烯表面等离激元（SPPs）具有局域化程度高、损耗低、支持电调制以及吸收带隙达到中红外波段等的优点。与此同时，hBN材料支持双曲声子极化激元，其中电子屏蔽和库仑相互作用导致声子模式分离为纵向光学声子模式（LOPPs）和横向光学声子模式（TOPPs）。使用等离激元-声子强耦合来增加多个波长通道的想法已在增强近场辐射传热（NFRHT）实验中得到证实。然而，这些工作主要集中于评估强耦合对NFRHT的影响，很少讨论耦合过程中能量交换和模式杂化问题。近年来，hBN原子层材料已被证明其峰值辐射率有望与hBN块状材料一样高，因此建立石墨烯/hBN原子系统有利于进一步缩小热辐射器件的体积，且所得的强耦合杂化态也会表现出欧姆损耗小和品质因数高的突出特点。

图1：石墨烯/hBN热辐射原子系统等离激元-声子强耦合示意图。

图2：石墨烯/hBN热辐射原子系统的模式演化和能量交换过程。

最近，李倩课题组探究了石墨烯/hBN热辐射原子系统中等离激元-声子强耦合过程并提出了多种主动调控热辐射波长和强度的方法。该方案具有以下优势：（1）如图1(a)所示，热辐射原子系统可以通过石墨烯宽度、石墨烯化学势、hBN层数和hBN宽度进行精确光学调控，以获得更广阔的中红外光谱调控区域和更强的光谱峰值强度。（2）在图1(b)和图1(c)中，研究人员采用三谐振子模型来研究SPPs–TOPPs–LOPPs强耦合过程的能量交换，模式演化和耦合强度。当发生等离激元-声子强耦合时，等离激元能级（U_SPPs）、横向声子能级（U_TOPPs）和纵向声子能级（U_LOPPs）将发生显着变化，最终产生了三种杂化态，即上分支（UPB），中分支（MPB）和下分支（LPB）。值得一提的是，理论推导结果，严格耦合波分析(RCWA)方法结果以及时域有限差分(FDTD)方法结果均保持了良好的一致性，证明了本方案的准确性和可行性。（3）在图1(d)中，热辐射原子系统生成的杂化态具有多个共振波长以及不同的光谱带宽，这有利于形成稳定高效的多波长热辐射通道研究表明，耦合杂化态模式和石墨烯SPPs模式受到石墨烯宽度和石墨烯化学势调控，而未耦合的TOPPs和LOPPs模式则不会受到石墨烯调制的影响。如图2所示，研究人员展示了光热调控下模式演化和能量交换过程，并定量地计算出不同杂化态中SPPs、TOPPs和LOPPs模式的权重分布，结果表明MPB杂化态在三耦合系统中表现出更多的能量交换通道。此研究工作有望为实验设计中红外光热辐射器件提供可靠的理论依据，促进人们深入了解等离激元-声子相互作用的微观机理以及精确控制光热辐射的有效方法。

该工作的共同第一作者为信息工程学院博士后黄加耀和香港科技大学博士生邓富。信息工程学院李倩副教授为该论文的通讯作者。合作者还有信息工程学院博士生叶峰，清华大学深圳国际研究生院付红岩副教授以及信息工程学院张盛东教授。上述研究得到了深圳市稳定支持重点项目和广东省自然科学基金的支持。

论文信息：

Strong plasmon − phonon coupling for graphene/ hBN thermal emitter atomic system

Jiayao Huang^†, Fu Deng^†, Feng Ye, H. Y. Fu, Shengdong Zhang, Qian Li^*

Carbon

DOI: 10.1016/j.carbon.2023.118210

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622323004554?via%3Dihub