金/石墨烯等离子体共振元件
贵金属纳米粒子具有很多优异的性质，特别是金、银，其独特的表面等离子体共振性质引起了科学家的极大兴趣。当用可见-近红外光照射时，金纳米粒子可以与光场共振从而把光场能量局域到极小的空间尺度，研究发现这些粒子在可见-近红外波段且对光的利用效率高达100%，其光学响应对外界环境的变化极其敏感。可以作为细胞内部的微型检测天线。然而独立的贵金属纳米天线其尺寸很小，极难通过微纳加工技术来调制。
石墨烯是一种原子尺度的碳单层平面材料，因其具有超高的电子迁移率，超薄的尺寸特性，受到科学界的广泛关注。然而，仅仅石墨烯在可见光波段几乎透明，很难在近红外区域或可见光-近红外宽谱区域实现与光场的耦合。
能否将这两种新型材料结合，得到一种复合材料，同时具备两者的优点？
香港中文大学王建方教授、许建斌教授、北京大学彭练矛教授、北京计算科学研究中心林海青教授以及他们的合作研究团队设计提出了一种三明治结构的金/石墨烯纳米天线。巧妙的将石墨烯特殊的电学性质与表面等离激元光学现象相结合。
他们在HfOx/Si衬底上沉积100nm金膜，然后转移石墨烯覆盖在金膜上，滴加金纳米球的悬浮溶液制备成纳米天线-石墨烯夹层结构。通过暗场显微镜探测样品的散射峰谱，可侧面反映出表面等离激元多种不同的耦合模式，在一系列实验探究后，发现这种纳米天线-石墨烯夹层结构在可见光-近红外光谱区域可以有效地实现耦合模式的调控。
金纳米球与金膜之间强烈的表面等离激元耦合是导致散射峰的变化的重要原因，存在单层石墨烯夹层样品相比无单层石墨烯样品，由于耦合强度不同导致其散射峰发生明显红移现象。存在单层石墨烯的夹层结构，会发生强烈的耦合，一方面由于石墨烯特殊的介电性质对金纳米球与金膜之间的耦合产生了屏蔽效应，另一方面，由于石墨烯超薄的尺寸会导致电荷隧穿的发生。分别加载s偏振光场与非偏振光场相比较，两种情况下都会激发出三种共振模式，即偶极共振、四极子共振和八极子共振，峰位几乎没有差异。同时，通过改变石墨烯层数的或调控石墨烯的电学掺杂、退火掺杂等，同样可以有效调控耦合的共振峰位，即共振-回路模型。实验观察到，随着石墨烯层数的增加，四极子模式消失，偶极模式发生蓝移，八极子模式峰位呈曲线变化。由于电学掺杂和退火等工艺会改变石墨烯的费米能级，p型掺杂的石墨烯夹层结构耦合共振峰位会发生明显蓝移。
该工作所提出的三明治结构纳米天线不仅极大地增强了光和石墨烯的相互作用，为明星材料石墨烯的研究提供了新的技术手段。金/石墨烯复合体系也为主动型表面等离激元共振器件的发展拓展了新的方向。工作在可见-近红外波段的金/石墨烯纳米天线有望进一步提高石墨烯光电器件的性能，这种新型的纳米天线也同时在生物化学检测、光能利用等领域有巨大的应用潜力。