来自 MIPT 和俄罗斯弗拉基米尔州立大学的物理学家已经将光能转化为石墨烯上的表面波，效率接近 90%。他们依赖于类似激光的能量转换方案和集体共振。该论文发表在《激光与光子学评论》上。

在纳米尺度上操纵光是能够创建用于光能转换和存储的超紧凑设备的关键任务。为了在如此小的尺度上定位光，研究人员将光辐射转换为所谓的表面等离子体激元。这些 SPP 是沿着具有截然不同的折射率的两种材料(特别是金属和电介质或空气)之间的界面传播的振荡。根据所选择的材料，表面波定位的程度会有所不同。对于定位在只有一个原子层厚的材料上的光来说，它是最强的，因为这种二维材料具有高折射率。

在二维表面上将光转换为 SPP 的现有方案的效率不超过 10%。通过使用中间信号转换器——各种化学成分和几何形状的纳米物体，可以改善这个数字。

Laser & Photonics Reviews最近研究中使用的中间转换器是尺寸为 5 到 100 纳米的半导体量子点，其成分类似于制造它们的固体半导体的成分。也就是说，量子点的光学特性随其大小而有很大差异。因此，通过改变其尺寸，研究人员可以将其调整到感兴趣的光波长。如果用自然光照射一组不同大小的量子点，每个点都会响应特定的波长。

量子点有各种形状——圆柱体、棱锥体、球体等——以及不同的化学成分。在其研究中，俄罗斯研究人员团队使用了直径为 40 纳米的椭圆形量子点。这些点充当位于石墨烯表面上方的散射体，用波长为 1.55 微米的红外光照射石墨烯。几纳米厚的介电缓冲液将石墨烯片与量子点分开。

使用量子点作为散射体的想法并不新鲜。之前的一些石墨烯研究使用了类似的排列，点位于二维片材上方，并与光和表面电磁波相互作用，在两个过程共享的共同波长下。这是通过选择完全正确的量子点尺寸实现的。虽然这样的系统很容易调谐到共振，但它容易受到发光猝灭(入射光能转化为热能)以及反向光散射的影响。结果，SPP产生的效率不超过10%。

“我们研究了一种方案，其中位于石墨烯上方的量子点与入射光和表面电磁波相互作用，但这两种相互作用的频率不同。该点与波长为 1.55 微米的光和表面等离子体相互作用3.5 微米的极化子。这是通过混合交互方案实现的，”该研究的合著者、MIPT 光子学和二维材料中心的高级研究员、弗拉基米尔州立大学的副教授阿列克谢·普罗霍罗夫 (Alexei Prokhorov) 说。

混合交互方案的本质是，它不仅使用两个能级(上能级和下能级)，还包括一个中间能级。也就是说，该团队使用了类似于激光的能量结构。中间能级用于实现量子点和表面电磁波之间的强连接。量子点在照射它的激光波长下受到激发，而表面波在 SPP 量子点共振确定的波长下产生。

“我们已经使用了一系列材料来制造量子点，以及各种类型的石墨烯，”普罗霍罗夫解释说。“除了纯石墨烯，还有所谓的掺杂石墨烯，它结合了元素周期表中相邻族的元素。根据掺杂的种类，石墨烯的化学势会有所不同。我们优化了量子点的参数——它的化学、几何形状以及石墨烯的类型，以便最大限度地提高光能转换为表面等离子体激元的效率。最终我们决定使用掺杂石墨烯和锑化铟作为量子点材料。”

尽管通过量子点中介将高效能量输入到石墨烯中，但产生的波的强度非常低。因此，必须在石墨烯层上方的特定排列中使用大量点。研究人员必须精确地找到正确的几何形状，点之间的完美距离，以确保由于每个点的近场定相而导致的信号放大。在他们的研究中，该团队报告发现了这样的几何形状并测量了石墨烯中的信号，该信号比随机排列的量子点强几个数量级。对于随后的计算，物理学家采用了自行开发的软件模块。

新提出方案的计算转换效率高达90%-95%。即使考虑到可能影响该品质因数的所有潜在负面因素，它仍将保持在 50% 以上——比任何其他竞争系统高出数倍。

“此类研究的很大一部分集中在创造超紧凑型设备上，这些设备能够将光能高效地转换为表面等离子体极化激元，并在空间非常小，从而将光能记录到某种结构中，”这位主任说。该研究的合著者 Valentyn Volkov 是 MIPT 光子学和二维材料中心的负责人。“此外，你可以积累极化子，有可能设计一个由几个原子层组成的超薄电池。可以在光能中使用这种效应转换器类似于太阳能电池，但效率高出数倍。另一个有前途的应用与纳米和生物物体检测有关。”