石墨烯_ 河南“超牛”教授: 在石墨烯领域取得重大突破, 研究登上国际顶级期刊!

理与电子学院微纳米光子材料与应用研究所陈珂助教授与北京大学刘忠范院士、刘开辉研究员研究小组密切合作，在石墨晶体光纤材料与光电器件研究方面取得了重要进展。 相关成果以“graphenephotoniccrystlfibrewithtrongandtunablelight–matte interaction”为主题，于2019年08月12日在Nature旗下的光学领域发表了国际顶级期刊《自然光子学》石墨烯微结构的

以光子晶体光纤为代表的特殊光纤体现了过去60年光纤领域发展的里程碑式进步。 相对于传统的无遮断单模光纤，具有超越传统光纤的极其丰富的功能，广泛应用于超连续光源、光频梳、光孤子传播、功率脉冲激光等领域。 PCF的精巧周期性多孔结构与包括气体、液体、固体到液晶在内的多种功能材料相结合，可以扩展锁模光纤激光器、激光逆变器、表面等离子体产生和光纤电光调制器等器件的新功能。 石墨烯具有无独特质量的Dirac费米子、线性色散关系等固有特性，显示出超高的载流子迁移率、宽带光学响应和电场调谐等优点，在光子和光电子器件领域有着广阔的应用前景。 石墨烯的兴起激发了融合PCF和二维材料的兴趣。 传统的工作是将石墨烯薄膜转移到光纤表面，或者将石墨烯粉体填充到PCF孔中，以实现石墨烯/光纤复合结构的制造。 但这些尝试只停留在实验室的制造水平上，石墨烯与光纤的综合面积小，光耦合效率低，大规模生产与材料工业级应用之间仍存在较大差异。

本工作首次提出利用化学气相沉积法制备长达半米的石墨烯光子晶体光纤材料。 该方法的特点是能够在PCF的内部微孔中实现不同厚度、均匀性石墨烯薄膜的直接原位生长。 传统石墨烯生长理论表明，如果没有金属催化剂的干预，在长距离PCF微米级空穴中直接生长石墨烯是非常困难的。 为了保持光纤结构和功能的不变性，石墨烯生长过程中未引入金属催化剂。 基于气体流体力学理论，利用反应气体的分子流模型设计了实验条件，突破了界限阈值空间中石墨烯无催化生长的瓶颈，成功地实现了孔内壁高质量石墨烯薄膜的均匀生长.

石墨烯光子晶体光纤的可控制制造

基于这种特殊的复合结构，Gr-PCF实现了强光与物质的相互作用，光衰减系数高达8dBcm-1，远高于单层石墨烯的光衰减效率。 通过离子液体栅极电压控制光纤内部的石墨烯，可以实现可调光与石墨烯的相互作用。 用Gr-PCF制作的电光调制器具有宽频带的光响应特性，实现了低电压下1550nm的光信号为20dBcm-1的深度调制。 这为全光纤系统的光信号传输、调制和检测提供了集成的可能性。

石墨烯光子晶体光纤电光调制器

该研究不仅为石墨烯功能材料的规模化开辟了新的途径，为全光纤通信系统的制造和功能扩展奠定了基础，更重要的是为其他二维材料/光纤复合结构的可控制制造和应用提供了广泛的平台。 这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省中原青年拔尖人才计划、河南大学青年英才计划等项目的资助，得到了其他合作者加利福尼亚大学伯克利分校冯教授和芬兰阿尔泰大学知识分校教授的支持和帮助。