什么物質(zhì)能有如此靈敏的光學(xué)響應(yīng)，讓研究團(tuán)隊(duì)最終制出了神奇的反射材料？答案要從石墨烯中找?！笆┳畲蟮暮锰幘驮谟谒墓鈱W(xué)響應(yīng)可通過施加電壓進(jìn)行很好的調(diào)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(shù)目異常巨大，往里加個(gè)把電子，它‘看不見’，光學(xué)響應(yīng)沒什么變化”，周磊指出，而對石墨烯，只要往里面填一點(diǎn)電子，它的光學(xué)響應(yīng)、對光的反射率，就會發(fā)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(tuán)隊(duì)想到了用它來和超表面結(jié)合，制成特殊材料。

讓石墨烯與超表面親密接觸

“我們的發(fā)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)基于大幅相位調(diào)控的光子器件，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)”

周磊向記者介紹：“這項(xiàng)研究由物理系張遠(yuǎn)波課題組和我們共同完成。張遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)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(lǐng)域。”

超表面是一種對光學(xué)有著奇異響應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)表面陣列，但這種奇異的響應(yīng)是動不了的，一旦設(shè)計(jì)好了，其性質(zhì)就不發(fā)生變化。

“于是我們就想到用石墨烯把它調(diào)得能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)變化，便與遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)一起合作。兩個(gè)課題經(jīng)過三年的攻堅(jiān)終于取得了這項(xiàng)成果?！敝芾谡f。

不僅能夠動態(tài)調(diào)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(diǎn)。用傳統(tǒng)液晶及其他半導(dǎo)體材料制成的相位調(diào)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(gè)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(yīng)用實(shí)例，研究還展示了一個(gè)基于石墨烯超表面的太赫茲偏振調(diào)節(jié)器。周磊指出：“太赫茲波段的波長所對應(yīng)的尺度大概是幾十到上百微米，這個(gè)波段是非常重要有用的，但是在該波段內(nèi)能做出一些動態(tài)器件卻是很不容易的?？傊?，我們的發(fā)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)基于大幅相位調(diào)控的光子器件，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！?/p>

【延伸閱讀】“撕”出來的石墨烯

許多項(xiàng)研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，果殼網(wǎng)署名魏郎爾的文章稱，但這些美妙的特性對樣品質(zhì)量要求非常高。要想獲得電學(xué)和機(jī)械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢的手段：機(jī)械剝離法。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)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(gòu)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(xué)獎(jiǎng)。

看起來雖然所需的設(shè)備和技術(shù)含量看起來都很低，但問題是這樣做的成功率更低，要論產(chǎn)業(yè)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(dāng)然現(xiàn)在我們有了很多其他方法，能增加產(chǎn)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(jìn)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(xué)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(shè)法長出一層石墨烯來。還有化學(xué)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(chǎn)的石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量又掉下去了。

這些辦法為什么做不出高質(zhì)量的石墨烯？舉個(gè)例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環(huán)，但在邊緣部分往往會被打亂，成為五元或七元環(huán)。這看起來沒啥大不了的，但是化學(xué)氣相沉積法產(chǎn)生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點(diǎn)上生長出來的一片。它其實(shí)是多個(gè)點(diǎn)同時(shí)生長產(chǎn)生的“多晶”，而沒有辦法能保證這多個(gè)點(diǎn)長出來的小片都能完整對齊。于是，這些畸形環(huán)不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內(nèi)部，成為結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點(diǎn)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(jié)果是整個(gè)石墨烯的強(qiáng)度要減半。

只能說材料是個(gè)麻煩的領(lǐng)域，想魚與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒有那么快。