【为学故事】“石墨烯与纳米线的联姻”——新型纳米腔光学性能研究

鼓励研究生学术创新和产出高水平学术成果，培养拔尖创新人才，学校设立了“研究生高水平学术创新项目”。项目实施以来，在各院系通力配合和研究生导师精心指导下，多名研究生取得了优异成绩和创新性成果。为此，研究生院推出【为学故事】系列报道，介绍2020年度“研究生高水平学术创新项目”优秀研究生及其科研工作，以期在广大研究生之中，倡导严谨笃学、求实求新之精神，培育勤勉致知、善学进取之学风。

李泽（物理系 原子与分子物理 博士研究生）

指导老师：王培杰 教授

科研感言：遇到困难，少抱怨，少发脾气，静下心来，多多思考，多多跟导师交流沟通，向前看，问题才能解决。

众所周知，单层石墨烯具有优良的电学性能，但是由于其零带隙的特点，目前它在光学方面的应用并不广泛。但极薄碳层具有的独特的光学和电子性质，这使得单层石墨烯在未来有望成为高性能光电器件的重要基础材料。

在研究生高水平学术创新项目的支持下，我对装入单层石墨烯的纳米腔的光学性能展开研究。我们将探针分子滴在组装有石墨烯的纳米腔中，通过拉曼光谱检测纳米腔的分子信号，证实了在同样的光学条件下，组装有石墨烯的纳米腔比传统的纳米腔具有更优秀的光学性能（如图1所示）。我们在理论上对这个结果做出了合理解释，并且进一步优化实验条件，找到了最大化激发这种新型纳米腔的光学条件。该研究取得的突破性成绩是发掘了石墨烯在光学方面的应用，证明了单层石墨烯组装的纳米腔在微量分子信号检测方面具有极高的应用潜力。我们的研究成果论文“Graphene-coupled nanowire hybrid plasmonic gap mode–driven catalytic reaction revealed by surface-enhanced Raman scattering”发表在国际知名光电子学杂志Nanophotonics上。

图1：石墨烯修饰的纳米腔以及相关的光学表征

在这个项目的研究过程中，我遇到的最大困难是如何解释实验现象背后的物理机制。但科学研究真的没有捷径可走，也没有现成答案可抄，只能是在迷茫和黑暗中勇敢探索。当时正处于疫情期间，我和导师每天几个小时的电话交流是新常态，每次交流我们都通过头脑风暴提出各种可能性，然后进一步查找相关文献进行验证。最后，我们通过引入石墨烯表面电导模型，用“垂直净偶极矩的最大激发”成功解释了这个实验现象的物理机制。

石墨烯高性能光学器件具有很好的应用前景。未来，我们希望进一步优化这种新型结构的性能，并将这个技术应用到微量分子的检测领域。