基于纳米图案化石墨烯可调光谱与方向选择性热发射的等离激元增强中红外光源

我们提出了一种基于纳米图案化石墨烯（NPG）的光谱选择性热中红外光源的概念验证，其具有典型 CVD 生长石墨烯的迁移率（高达 $3000$ cm$^2$V$^{-1}$s$^{-1}$），可确保大面积可扩展性。为此，我们求解了存在面内电场时具有椭圆虫洞的导电双曲面体的静电问题。NPG 薄片上的局域表面等离激元（LSPs）允许在 3 $\mu$m 至 12 $\mu$m 波长范围内调控热发射光谱。LSPs 与光学腔一起将石墨烯的发射率从原始石墨烯的约 2.3% 提高到 NPG 的 80%，从而以 100 倍的性能优于近红外（NIR）中最先进的原始石墨烯光源。在 $T=2000$ K、偏置电压 $V=23$ V 下，通过焦耳热实现了 11x10^3 W/m$^2$ 的最大单位面积发射功率。通过推广普朗克理论并考虑石墨烯表面等离激元的非局域涨落-耗散定理及 RPA 中的非局域响应，我们表明石墨烯等离激元与热发射光子的相干长度可分别达到 13 $\mu$m 和 150 $\mu$m，为创建相控阵列提供了机会。相干的空间相位变化允许通过调节费米能在 $12^\circ$ 至 $80^\circ$ 范围内对热发射进行波束转向。我们对非局域流体动力学响应的分析引出了石墨烯中扩散长度与黏度具有频率依赖性的猜想。利用时域有限差分（FDTD）计算、耦合模理论与 RPA，我们建立了基于 NPG 的中红外光源模型，这将为基于石墨烯的光学中红外通信、中红外彩色显示、中红外光谱学与病毒检测铺平道路。