基于全内反射结构的石墨烯光学性质及其应用研究

Due to graphene's unique electronic, atomic structure and carrier characteristics, it also has excellent optical properties. The optical properties of graphene have been widely employed in the applications of ultrafast photodetector, optical modulation, ultrafast laser. Interaction and coupling of graphene with light will be the basis of the development and breakthrough in above applications. Unlike the coupling mode of the light passing through the graphene, the propagation of light along the plane of the graphene will strengthen the graphene-light interaction, such as the combinations of graphene with the waveguide, the total internal reflection, etc.. The project intends to study the optical properties of graphene in total internal reflection interface and its new optical applications, including the reflection and absorption properties of this structure for the graphenes obtained by different preparation methods, and the dependence of optical properties on the incident light's polarization; We will analyze the impact of the graphene layers, micro-structure and morphology, oxidation or hydrogenation on polarization-dependent optical properties; Based on graphene-light interaction depending on the polarization and the refractive index of attachment base, we will combine microfluidics to study graphene-based optical sensor with highly sensitive, real-time sensing of refractive index, and explore its applications in biosensing; At the same time, combining the graphene microstructure and transferability, the multilayer structure of graphene and readout method will be developed for optical storage.

石墨烯独特的电子、原子结构和载流子特性使其同样具有优异的光学性质，在超快光电探测、光调制、超快激光等方面已经获得广泛的关注。研究石墨烯与光的相互作用和耦合方式将是其光学性质应用获得发展和突破的基础。与光穿过石墨烯的耦合方式不同，光沿石墨烯平面传播的结构将增强两者的相互作用，如石墨烯与波导、全内反射等结构的结合。本项目拟对石墨烯处于全内反射界面情况下的光学性质及其新的光学应用进行研究，包括对不同制备方法获得的石墨烯在该结构下的反射和吸收特性，以及其对入射光偏振的依赖情况；分析石墨烯层数、微结构形态、氧化或氢化等条件的改变对这种偏振依赖光学性质的影响；基于石墨烯与光相互作用在该结构下对偏振和附着基底折射率的依赖，研究新型的石墨烯光学传感器，并结合微流控技术实现高灵敏、实时的折射率传感，探索其在生物传感中的应用；同时，结合石墨烯微结构和可转移性，发展用于光存储的石墨烯多层膜结构和读取方法。

石墨烯独特的电子、原子结构和载流子特性使其同样具有优异的光学性质，在超快光电探测、光调制、超快激光等方面已经获得广泛的关注。研究石墨烯与光的相互作用和耦合方式将是其光学性质应用获得发展和突破的基础。该项目对石墨烯处于全内反射界面情况下的光学性质及其新的光学应用进行研究，包括对不同制备方法获得的石墨烯在该结构下的反射和吸收特性，以及其对入射光偏振的依赖情况；分析石墨烯层数、微结构形态等条件的改变对这种偏振依赖光学性质的影响；结合微流控技术实现高灵敏、实时的折射率传感，探索其在生物传感中的应用。通过该项目的执行，获得了如下的研究成果：（1）利用石墨烯偏振吸收效应，实现了微流体折射率实时检测，通过改进优化该系统，获得了目前有关折射率测量报道的最高分辨率，并成功实现了超灵敏单细胞实时流动传感；（2）利用热还原法制备的还原氧化石墨烯和微球壳石墨烯的偏振依赖吸收效应，发展了一种用于生物蛋白反应检测的光学生物传感器，实现了抗原抗体的免疫检测；（3）利用飞秒微加工和定点转移技术实现了转角石墨烯的制备，在全内反射结构下研究转角石墨烯的光学性质和光电响应；（4）通过拉伸实现了石墨烯光学性质大的调控，分析了不同偏振光下石墨烯光学性质对拉伸幅度的依赖，实验测量了全内反射结构下，石墨烯对古斯汉欣位移的增强效应；（5）利用全内反反射结构，在石墨烯的时间分辨泵浦-探测测量中，揭示了石墨烯中光激发载流子动量空间分布的演化，研究了石墨烯瞬态差分反射信号偏振依赖性。这些研究成果，为石墨烯光学性质的应用开拓出新的发展方向和思路。