Nature-石墨烯，中红外体光伏效应 | 量子几何-光传感

布洛赫波函数Bloch wave functions的量子几何性质Quantum geometric properties，即Berry曲率和量子度规quantum metric，显著影响电子基态和激发态行为。体光伏效应bulk photovoltaic effect ，BPVE，是依赖于激发光偏振的一种非线性现象，在很大程度上取决于光学跃迁中的量子几何性质。尽管已经有报道过与量子几何相关的激发强关联现象，但是，红外体光伏效应BPVE，至今尚未发现于石墨烯或莫尔材料等这类新兴平台系统。

　　今日，美国耶鲁大学(Yale University) Fengnian Xia团队Chao Ma，Shaofan Yuan，德克萨斯大学达拉斯分校(University of Texas at Dallas) Fan Zhang团队Patrick Cheung等，在Nature上发文，报道了在扭曲双层石墨烯twisted double bilayer graphene，TDBG中观察到，5µm和7.7µm可调中红外体光伏效应BPVE，这是由莫尔诱导的强对称性破缺和量子几何贡献引起的。光响应基本上取决于激发光的偏振态，并且通过外部电场高度可调。量子几何特性的这种广泛可调性，可以使用卷积神经网络，同时实现全斯托克斯偏振full-Stokes polarimetry测量和波长检测，仅使用单个扭曲双层石墨烯TDBG器件，其亚波长覆盖区仅为3×3µm2。　　该项研究工作，不仅揭示了莫尔工程量子几何，在可调非线性光-物质相互作用中的独特作用，而且还以极其紧凑的片上方式，确定了未来智能传感技术的新途径。

Intelligent infrared sensing enabled by tunable moiré quantum geometry基于可调莫尔量子几何，实现智能红外传感。

图1：扭曲双层石墨烯TDBG光电探测器的传输特性。

图2：扭曲双层石墨烯TDBG的可调线性体光伏效应bulk photovoltaic effect，BPVE。

图3：扭曲双层石墨烯TDBG的可调圆形circular体光伏效应BPVE。

图4：神经网络红外偏振与波长检测原理。

图5：神经网络CNN促进智能光感应。

　　该项研究，利用神经网络convolutional neural network，CNN作为解码器，以及扭曲双层石墨烯twisted double bilayer graphene，TDBG的可调体光伏效应bulk photovoltaic effect ，BPVE作为编码器，在亚波长覆盖区的单个片上器件上，同时破译光偏振、功率和波长。

　　尽管在这项工作中，主要关注的是中红外光谱范围，但可以预计这种扭曲双层石墨烯TDBG量子几何特性形成的非线性光响应，有望持续到太赫兹范围，并且智能石墨烯传感器，有望运行于中红外到太赫兹范围。

　　类似低对称性和量子几何性质，也存在于过渡金属二硫属元素化物的异质或同质双层材料，尤其是在可见或近红外波长，也检测到这种类似非线性光响应。因此，该项实验演示，为宽光谱范围内的片上智能光传感，开辟了潜在途径。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04548-wDOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04548-w

信息来源：公众号【今日新材料】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。