近期，美國紐約市立大學(xué)郭秋實(shí)助理教授與美國耶魯大學(xué)夏豐年教授等人合作，在石墨烯-六方氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，首次觀察到雙曲聲子極化子（HPhPs，Hyperbolic Phonon-Polaritons）的電致發(fā)光現(xiàn)象。

這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義：

首先，通過純電學(xué)方式激發(fā)聲子極化激元波，突破了傳統(tǒng)光學(xué)激發(fā)方式的限制。

其次，該研究為開發(fā)電泵浦、可調(diào)諧的中紅外和太赫茲聲子極化激元激光器提供了全新的技術(shù)思路。

此外，這項(xiàng)成果還為電子設(shè)備的高效冷卻開辟了新途徑，有望解決電子器件散熱的關(guān)鍵難題。

審稿人對(duì)該研究評(píng)論道：“該工作展示了對(duì)雙曲聲子極化激元電致發(fā)光現(xiàn)象的直接觀測證據(jù)。本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作扎實(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與所附的理論分析高度一致。此研究結(jié)果很有趣，是此類異質(zhì)結(jié)構(gòu)中新奇物理機(jī)制的一個(gè)典型范例?！?/p>

圖丨郭秋實(shí)（來源：郭秋實(shí)）

近日，相關(guān)論文以《石墨烯-六方氮化硼范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的雙曲聲子極化激光電致發(fā)光》（Hyperbolic phonon-polariton electroluminescence in graphene-hBN van der Waals heterostructures）為題發(fā)表在Nature[1]。

郭秋實(shí)和美國加州理工學(xué)院博士后研究員伊利亞·埃辛（Iliya Esin）是共同第一作者兼共同通訊作者，耶魯大學(xué)李程博士是共同第一作者，耶魯大學(xué)夏豐年教授擔(dān)任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

光根據(jù)波長可分為不同的電磁波段，每個(gè)波段都有其獨(dú)特的用途，如可見光、近紅外光、短、中波紅外光以及長波紅外光等。

其中，長波中紅外光能夠與分子發(fā)生共振，并通過共振峰的位置判斷未知分子的化學(xué)鍵類型（如 C-O、C-H、C-N 鍵等），在生物傳感和環(huán)境監(jiān)測中具有重要意義。

但問題在于，長波中紅外光的波長較長，大約在 10 到 20 微米，而分子的尺寸通常在 1 到 10 納米之間。由于兩者之間的尺度差異巨大，導(dǎo)致它們之間的相互作用非常微弱。

為了解決這一問題，需要將長波長的光壓縮到更小的尺度，以增強(qiáng)光-分子耦合。然而，光的衍射極限限制了對(duì)其進(jìn)一步壓縮的能力。

聲子極化激元（PhPs，Phonon-polaritons）提供了一種可能的解決方案：它由光子與極性介質(zhì)中的光學(xué)聲子相干耦合產(chǎn)生，能夠?qū)?10 微米的光壓縮到 10 納米甚至更小的尺度。這一特性在納米光學(xué)領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力，例如制造微型紅外光芯片或?qū)⒐鈮嚎s到超薄材料中。

然而，聲子極化激元的應(yīng)用也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，聲子極化激元的傳播損耗較大，導(dǎo)致其傳播距離受限。其次，傳統(tǒng)的聲子極化激元激發(fā)方式效率較低，且需要昂貴的設(shè)備支持，例如近場光學(xué)掃描顯微鏡等。

（來源：Nature）

這項(xiàng)研究起源于郭秋實(shí)在耶魯大學(xué)讀博期間，基于電子工程的背景，他提出了一種創(chuàng)新的設(shè)想：是否可以像半導(dǎo)體激光器或 LED 那樣，通過注入電流或施加電壓在芯片上直接激發(fā)聲子極化激元？如果這樣的電驅(qū)動(dòng)方法存在，能否進(jìn)一步利用它補(bǔ)償聲子極化激元的傳播損耗，甚至實(shí)現(xiàn)對(duì)聲子極化激元的放大？

為了驗(yàn)證這一想法，他嘗試了多種方法，例如制備隧穿結(jié)等，但效果都不理想，理論計(jì)算也顯示效率很低。因此，這項(xiàng)研究一度被擱置。

直到一天，課題組成員無意間看到的一篇關(guān)于六方氮化硼（hBN，hexagonal boron nitride）/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)，為這項(xiàng)研究帶來了轉(zhuǎn)機(jī)。該文獻(xiàn)報(bào)道了一種很有趣的現(xiàn)象：當(dāng)對(duì)石墨烯兩端施加較高電壓時(shí)，石墨烯的電流飽和現(xiàn)象非常明顯。

郭秋實(shí)說道：“通常情況下，金屬導(dǎo)體兩側(cè)電壓增高，通過金屬導(dǎo)體的電流也會(huì)隨之持續(xù)增大。但在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電壓增加到一定程度后，石墨烯中的電流就基本不再變化。”

（來源：Nature）

這一現(xiàn)象引起了研究人員的好奇：是什么導(dǎo)致了石墨烯中的電流飽和？經(jīng)過仔細(xì)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)，這是由于石墨烯中的電子與 hBN 的晶格振動(dòng)（聲子）之間的散射作用。

他們進(jìn)一步推測，既然 hBN 能夠支持 HPhP 模式的傳播，那么石墨烯中被外加電場加速的電子是否也有可能與雙曲聲子極化激元發(fā)生散射？

然而，觀測雙曲聲子極化激元的散射過程并不容易。由于雙曲聲子極化激元這種電磁波具有很高的動(dòng)量，它們只能在 hBN 材料內(nèi)部傳播，難以高效地散射到自由空間中。

為了驗(yàn)證這一猜想，郭秋實(shí)和李程設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)：他們?cè)?hBN 上制備了金屬微盤，這些金屬微盤能將 hBN 中的雙曲聲子極化激元散射模式到自由空間中，并用紅外光譜儀探測。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)在石墨烯兩端施加電壓后，石墨烯中被加速的電子確實(shí)能夠與 hBN 中的雙曲聲子極化激元發(fā)生強(qiáng)烈的散射，并且能夠以長波紅外光的形式輻射出來。

另外，通過變溫實(shí)驗(yàn)和對(duì)照實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，雙曲聲子極化激元的輻射強(qiáng)度和樣品溫度并沒有明顯關(guān)聯(lián)。這和傳統(tǒng)的黑體熱輻射強(qiáng)度隨樣品溫度升高而升高的特性截然不同。

這項(xiàng)研究提供了一種通過純電學(xué)的方式激發(fā)聲子極化激元的新方法，以解決聲子極化激元的激發(fā)問題。該技術(shù)有望應(yīng)用于制造納米尺度下的長波紅外和太赫茲光源，使這些光學(xué)器件的大小能夠與電學(xué)晶體管相媲美。

目前，該研究已經(jīng)證明了聲子極化激元的自發(fā)輻射過程。然而，如何實(shí)現(xiàn)聲子極化激元的受激輻射和凈增益仍是一個(gè)關(guān)鍵的問題。在后續(xù)的研究中，研究人員將圍繞產(chǎn)生增益展開研究。

郭秋實(shí)一直在思考：如果將石墨烯換成其他材料，是否會(huì)更高效地產(chǎn)生聲子極化激元并實(shí)現(xiàn)增益？若能在聲子極化激元傳播方向引入增益，未來或許可以用它來制造基于聲子極化激元的納米光學(xué)鏈路，或者制造用電激發(fā)的聲子極化激元激光器。

此外，該發(fā)現(xiàn)還為電子器件散熱提供了一種新途徑。“我們已經(jīng)證明了在石墨烯中，電子在較大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)能夠激發(fā) hBN 中的雙曲聲子極化激元。這意味著電子在該過程中會(huì)損失大量多余能量，并且直接以光的形式將多余能量輻射出來。如果將該機(jī)制應(yīng)用到硅和三五族半導(dǎo)體晶體管中，有望通過開發(fā)高效的熱管理技術(shù)，解決 CMOS、射頻或功率半導(dǎo)體器件的散熱瓶頸。”郭秋實(shí)說。

參考資料：

1.Guo, Q., Esin, I., Li, C. et al. Hyperbolic phonon-polariton electroluminescence in 2D heterostructures.Nature639, 915–921 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08686-9

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