hBN/石墨烯Fabry–Pérot腔中声子极化激元实现电驱动相干热辐射

通过 hBN/石墨烯 Fabry–Pérot 腔中的声子极化激元实现电驱动相干热辐射

论文信息：Q. Meng, Q. Liu, J. Zhang, W. Zheng, F. Luo, P. Li, Z. Zhu, and S. Qin, Electrically driven coherent thermal emission via phonon polaritons in an hBN/graphene Fabry–Pérot cavity, Opt. Laser Technol.197(2026) 114813.

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2026.114813

研究背景

传统热辐射通常具有宽谱、非相干和难以精确调控的特点，而中红外波段又恰好覆盖许多分子的振动指纹区，因此发展窄带、可集成、可电驱动的中红外热发射器具有重要意义。极性介质中的声子极化激元为这一问题提供了新的物理路径：它能够把热辐射与晶格振动耦合起来，使原本宽谱的热发射在特定红外波长处被显著增强。hBN 是典型的范德华双曲声子极化激元材料，具有低损耗和强光场约束能力；石墨烯则可以通过电流产生局域焦耳热。将 hBN/石墨烯异质结构放入 Fabry–Pérot 腔中，就有可能把电加热产生的宽带热辐射转化为窄带、相干性更好的中红外发射。

研究内容

这项工作构建了一种电驱动中红外热发射器，其基本结构为 Au 反射镜、Al₂O₃ 介质间隔层以及顶部 hBN/石墨烯范德华异质结构。Au 层作为中红外宽带反射镜，Al₂O₃ 层用于形成 Fabry–Pérot 腔并增强吸收/发射，hBN 提供声子极化激元共振，石墨烯则作为电加热层。当电流通过石墨烯时，焦耳热激发热辐射，而 hBN 中的声子极化激元和腔体共振共同将其筛选为窄带红外发射。

图 1. （a）hBN/石墨烯热发射器结构示意图。（b）hBN/石墨烯热发射器的光学照片。（c）hBN 介电常数的实部与虚部。（d）hBN/石墨烯热发射器的模拟结果，在波长 7.40 μm 处实现 100% 吸收，其半高全宽（FWHM）为 0.178 μm。插图为该热发射器的耗散分布。

在数值设计方面，文章利用 COMSOL 对器件的吸收谱和场耗散分布进行优化。结果显示，当 Au 厚度为 150 nm、Al₂O₃ 间隔层厚度为 600 nm、hBN 厚度约为 25 nm 时，器件在 7.40 μm 附近出现强窄带吸收峰。模拟结果中，峰值吸收接近 100%，半峰全宽 FWHM 为 0.178 μm，对应品质因子超过 40。场耗散分布进一步表明，该波长处的吸收主要来自 hBN 层，说明热发射增强的核心机制是 hBN 声子极化激元，而不是石墨烯本身的宽带吸收。

图 2. 石墨烯/hBN 异质结构的吸收率测量结果：（a）包含石墨烯时，（b）不包含石墨烯时，并与模拟吸收率进行比较。

实验上，研究通过电子束蒸发制备 Au 反射层，通过原子层沉积制备 Al₂O₃ 间隔层，并利用机械剥离和干法转移组装 hBN/石墨烯异质结构。FTIR 测量表明，带石墨烯的 hBN/石墨烯器件在 7.40 μm 附近的吸收率达到约 88%；去除石墨烯、仅保留较大面积 hBN 后，吸收率超过 90%。这说明实验结果与模拟趋势一致，同时也表明有限尺寸 hBN 和周围电极区域会导致实测吸收低于理想模拟值。

图 3. 不同电压下石墨烯/hBN 热发射器的热辐射光谱。（a）在 4 V、6 V、8 V 和 10 V 电压下的发射强度。（b）不同电压下的发射光谱等高图，显示在约 7.40 μm 附近存在稳定的窄带发射。

随后，文章展示了电驱动热发射实验。通过对石墨烯施加 1 kHz 方波电压，并结合锁相放大和 FTIR 光谱测量，研究获得了器件在不同电压下的中红外发射谱。随着驱动电压从 4 V 增大到 10 V，发射强度持续增强，但发射峰始终稳定在 7.40 μm 附近。这个结果说明，石墨烯主要负责提供可调焦耳热，而发射波长由 hBN 声子极化激元和 Fabry–Pérot 腔共同决定，从而实现了电驱动、窄带、波长稳定的中红外热发射。

图 4. Al₂O₃ 厚度变化对 hBN/石墨烯热发射器吸收/发射光谱的实验测量。（a）不同 Al₂O₃ 厚度下的吸收/发射光谱。（b）吸收率随 Al₂O₃ 厚度变化的等高图，同时保持约 7.40 μm 的稳定峰值波长。（c）光谱线宽与共振中心波长对 Al₂O₃ 厚度的反向依赖关系。

最后，文章系统研究了 Al₂O₃ 间隔层厚度和 hBN 厚度对发射线宽和中心波长的影响。当 Al₂O₃ 厚度从 700 nm 降低到 300 nm 时，发射线宽从 0.122 μm 收窄到 0.082 μm，并伴随轻微蓝移；当 hBN 厚度从 50 nm 降低到 10 nm 时，FWHM 从 0.290 μm 进一步收窄到 0.072 μm，对应品质因子约为 102。文章据此建立了厚度依赖的调控框架，说明通过调节 hBN 和介质腔厚度，可以连续控制热发射波长和谱线宽度，为片上相干中红外热光源提供了设计依据。

图 5. hBN 厚度变化对 hBN/石墨烯热发射器吸收/发射光谱的实验测量。（a）不同 hBN 厚度下的吸收/发射光谱。（b）吸收率随 hBN 厚度变化的等高图，同时展示其对峰值波长的影响。（c）光谱线宽与共振中心波长对 hBN 厚度的反向依赖关系。

结论与展望

这篇论文提出了一种基于 hBN/石墨烯范德华异质结构的电驱动相干热发射器。器件由 Au 反射镜、Al₂O₃ 介质间隔层和 hBN/石墨烯层组成，形成 Fabry–Pérot 腔增强结构。石墨烯在电流作用下产生焦耳热，hBN 中的声子极化激元则将宽带热辐射调控为 7.40 μm 附近的窄带中红外发射。实验表明，器件在该波长处表现出高吸收/发射特性，电压升高时发射强度增强，但峰位保持稳定。更重要的是，研究发现发射线宽可以通过 Al₂O₃ 间隔层厚度和 hBN 厚度进行调控；当 hBN 厚度降低到 10 nm 时，最小 FWHM 可达到 0.072 μm，对应较高品质因子。该工作的重要意义在于，它把二维材料电加热、声子极化激元和光学腔增强结合起来，实现了可电驱动、窄线宽、可集成的中红外热发射平台，可用于分子传感、热辐射调控和片上中红外光电子器件。

来源：热辐射与微纳光子学