石墨烯的基本光子學性質(zhì)

憑借著獨特的晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電子學性能，石墨烯讓它的發(fā)現(xiàn)者A.K.Geim和K.S.Novoselov榮膺2010年度諾貝爾物理學獎。

然而具有完美二維晶體結(jié)構(gòu)的石墨烯所擁有的不僅僅是最高可達10e6cm2/V?s的載荷子遷移率，表面可以彎曲但卻比鉆石還要高的強度，和高達5300W/m?K的導熱系數(shù)，其獨特的光學性質(zhì)也正在吸引著越來越多研究者的目光。

石墨烯材料特有的光子和光電子學性質(zhì)可以歸納為以下幾點：

1）石墨烯中的狄拉克電子在狄拉克點附近呈現(xiàn)線性能量-動量色散關(guān)系，這使得石墨烯對在紫外-可見-紅外區(qū)域的超寬帶光譜范圍里任何頻率的光子都具有共振的光學響應(yīng)；

2）單層石墨烯的線性光學吸收不依賴于光頻率，它對任何波長的低強度光波都具有嚴格的π?α≈2.3%的吸收率（α為精細結(jié)構(gòu)常數(shù)）且總吸收率正比于石墨烯層數(shù)，這也使得只有一個碳原子厚度的石墨烯單層也是肉眼可見的；

3）超快的載流子-載流子和載流子-聲子碰撞散射使得石墨烯具有超快的載流子弛豫動力學過程。在超短脈沖激發(fā)下，其帶內(nèi)熱平衡弛豫時間約100飛秒，帶間躍遷弛豫時間約幾個皮秒；

4）石墨烯具有優(yōu)秀的非線性光學性質(zhì)，在不同條件下，石墨烯材料擁有顯著的非線性散射、雙光子吸收、激發(fā)態(tài)吸收和飽和吸收性能，其非線性磁化率|χ(3)|可達10e-7esu，也可產(chǎn)生二次諧波；

5）氧化石墨烯在石墨烯sp2雜化碳原子二維網(wǎng)格基礎(chǔ)上產(chǎn)生了sp2和sp3雜化碳原子混合的結(jié)構(gòu)，其中被分立的納米尺度sp2雜化碳原子區(qū)域使得原本零帶隙的石墨烯產(chǎn)生了一個帶隙，帶隙寬度決定于sp2區(qū)域的大小，形狀及所占比例等因素。這個有限寬度的帶隙讓氧化石墨烯具有優(yōu)良的可調(diào)諧光致發(fā)光和電致發(fā)光性質(zhì)。

這些特有的光學屬性讓石墨烯及其衍生材料在開發(fā)透明電極、光伏電池、發(fā)光器件、光電探測器、激光鎖模器、光開關(guān)、激光防護設(shè)備、生物傳感器等光電器件方面呈現(xiàn)出特別的優(yōu)勢和巨大的潛力。