中國粉體網訊超表面石墨烯是一種厚度小于波長的人工層狀材料，它的金屬結構表面陣列對光學有著奇異響應，但這種奇異的響應一旦設計好了，其性質就不發生變化。

　　最大的好處就在于它的光學響應可通過施加電壓進行很好的調制，只要往里面填一點電子，它的光學響應、對光的反射率，就會發生巨大變化。

　　將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。“撕”出石墨烯的方法讓英國的兩位科學家在2010年獲得了諾貝爾獎。

　　試想一塊材料，光打上去之后，不按鏡面反射的角度反射回來，而是像舞臺追光燈一樣，想讓光射到什么方向就能自動調到什么方向，豈不神奇！

　　最近，復旦大學物理系的一項研究就展示了一種由石墨烯相關結構制成的材料，使這個設想有可能成為現實，相關研究報告日前發表在美國物理學會權威期刊《物理評論X》上。

　　這項研究將很大程度上助推全息光學器件的應用。全息之所以能夠真實成像，就在于全息板、片上每一點都記錄了影像的反射相位。而如果局域每一點都實現相位自由調控的話，拿光一打，這個全息影像就能夠動起來。沒準在不久的將來，我們步入電影院，享受一部比3D電影更為炫酷的全息電影。

　　反射相位動態可調

　　一束正入射的光，通過改變材料的反射相位分布，就可以實現30度出射或80度出射

　　想得到這種奇特的材料，最關鍵的技術，是實現電磁波相位的自由調控，這既是此項研究最重要的突破，也是光子學研究中的核心問題。

　　啥是電磁波的相位？該發表論文通訊作者之一、“長江學者”特聘教授周磊對科技日報記者介紹道：“所有的波都有振幅和相位，電磁波也不例外。振幅決定了一支波的最大振動范圍，而相位決定了波的值什么時候大，什么時候小。”它是描述波是否處于波峰、波谷或它們之間某點的一種標度。比如一支波當其相位為零時，波達到最大值；相位為90度時，波為零；相位為180度時，波又到達負的最大值，如此類推，循環往復。

　　“相位調控的重要作用在于，如果材料上每一點的反射相位不同，就可以使光打到上面時入射角和反射角不同”，周磊舉例說，比如一束正入射的光，通過改變材料的反射相位分布，就可以實現30度出射或80度出射等等。

　　事實上，三年前周磊課題組在一項發表于《自然·材料》的研究中就已實現光反射角度的改變。“但我們先前的研究是死的、被動的，材料一旦做好了就只能讓光以特定角度射出。而用現在新的機理，每一點的相位理論上都是動態可調的，通過相位改變能對光產生不同的干涉效果，按需要打到不同的方向。”

　　給點兒電壓，它就“燦爛”

　　對石墨烯而言，只要往里面填一點電子，它的光學響應、對光的反射率，就會發生巨大變化

　　復旦大學科研團隊是通過什么樣的方式，成功實現對電磁波相位的動態、大幅調控呢？他們想到了一個新奇的辦法——通過對石墨烯施加電壓調節其吸收，進而調控石墨烯相關體系的共振特性，使其實現從欠阻尼到過阻尼的共振演化。

　　一個振子在振動時因遭受空氣阻力而產生能量損耗，振幅隨時間推移越來越小，這就叫振動的阻尼。周磊介紹說：“當阻尼很小的時候，對振動的作用很小，這就是‘欠阻尼’振動，這時電磁波的相位會隨著頻率的變化而發生很大的變化；當阻尼很大時，比如將一架小秋千放入一桶油里面，這個秋千可能連一次振動都不做到就停下來了，這種振動模式就叫做‘過阻尼’振動，這時頻率雖然變化，可電磁波相位甚至動都不動，根本就不響應。”也就是說，從欠阻尼到過阻尼的演化過程中，相位也從一個能夠產生很大變化的區域，一下子到了一個不怎么變的區域，這就使得相位調控的范圍可以很大。先前一些只在一個固定的過阻尼或欠阻尼區域內進行調控的研究，能實現的調控范圍就很小，比如只有30度。“我們的研究原則上能做到360度整個相位全覆蓋。”周磊表示。

　　什么物質能有如此靈敏的光學響應，讓研究團隊最終制出了神奇的反射材料？答案要從石墨烯中找。“石墨烯最大的好處就在于它的光學響應可通過施加電壓進行很好的調制。如果一般的銅、金、銀這些金屬，你也可以給它加電壓、填電子，但它里面電子已然數目異常巨大，往里加個把電子，它‘看不見’，光學響應沒什么變化”，周磊指出，而對石墨烯，只要往里面填一點電子，它的光學響應、對光的反射率，就會發生巨大變化。其絕對變化不會太大，但相對變化會非常劇烈。所以研究團隊想到了用它來和超表面結合，制成特殊材料。

　　讓石墨烯與超表面親密接觸

　　“我們的發現，為實現基于大幅相位調控的光子器件，打下了堅實的基礎”

　　周磊向記者介紹：“這項研究由物理系張遠波課題組和我們共同完成。張遠波團隊在石墨烯研究方面有著深厚的積累，而我們則主攻超表面領域。”

　　超表面是一種對光學有著奇異響應的金屬結構表面陣列，但這種奇異的響應是動不了的，一旦設計好了，其性質就不發生變化。

　　“于是我們就想到用石墨烯把它調得能夠實現動態變化，便與遠波團隊一起合作。兩個課題經過三年的攻堅終于取得了這項成果。”周磊說。

　　不僅能夠動態調控，石墨烯與超表面耦合在一起的反射體系，還具有超薄、極小的特點。用傳統液晶及其他半導體材料制成的相位調制體系的厚度，如果以光的波長為單位來衡量，通常需是波長的很多倍，而石墨烯超表面的厚度則只有十分之一個波長。不僅超薄，在光斑橫向的尺度上，這種新材料也能做到極小。

　　最后，作為應用實例，研究還展示了一個基于石墨烯超表面的太赫茲偏振調節器。周磊指出：“太赫茲波段的波長所對應的尺度大概是幾十到上百微米，這個波段是非常重要有用的，但是在該波段內能做出一些動態器件卻是很不容易的。總之，我們的發現，為實現基于大幅相位調控的光子器件，打下了堅實的基礎。”

　　延伸閱讀

　　“撕”出來的石墨烯

　　許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，果殼網署名魏郎爾的文章稱，但這些美妙的特性對樣品質量要求非常高。要想獲得電學和機械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費時費力費錢的手段：機械剝離法。

　　2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。他們不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學獎。

　　看起來雖然所需的設備和技術含量看起來都很低，但問題是這樣做的成功率更低，要論產業化，這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦，一天又能剝下來幾片？

　　當然現在我們有了很多其他方法，能增加產量、降低成本。例如，我們有液相剝離法：把石墨或者類似的含碳材料放進表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法，在兩層硅中間直接設法長出一層石墨烯來。還有化學氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但麻煩的是這些辦法生產的石墨烯產品質量又掉下去了。

　　這些辦法為什么做不出高質量的石墨烯？舉個例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環，但在邊緣部分往往會被打亂，成為五元或七元環。這看起來沒啥大不了的，但是化學氣相沉積法產生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點上生長出來的一片。它其實是多個點同時生長產生的“多晶”，而沒有辦法能保證這多個點長出來的小片都能完整對齊。于是，這些畸形環不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內部，成為結構弱點、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點不像多晶金屬那樣會自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結果是整個石墨烯的強度要減半。

　　只能說材料是個麻煩的領域，想魚與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒有那么快。