通过 hBN/ 石墨烯 Fabry – P é rot 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 – P é rot 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 – P é rot 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、Al ₂ O ₃ 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，Al ₂ O ₃ 层用于形成 Fabry – P é rot 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 μ m 处实现 100% 吸收，其半高全宽（FWHM）为 0.178 μ m。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、Al ₂ O ₃ 间隔层厚度为 600 nm、hBN 厚度约为 25 nm 时，器件在 7.40 μ m 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 μ m，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 Al ₂ O ₃ 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 μ m 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 μ m 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 μ m 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 – P é rot 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. Al ₂ O ₃ 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 Al ₂ O ₃ 厚度下的吸收 / 发射光谱。（b）吸收率随 Al ₂ O ₃ 厚度变化的等高图，同时保持约 7.40 μ m 的稳定峰值波长。（c）光谱线宽与共振中心波长对 Al ₂ O ₃ 厚度的反向依赖关系。

最后，文章系统研究了 Al ₂ O ₃ 间隔层厚度和 hBN 厚度对发射线宽和中心波长的影响。当 Al ₂ O ₃ 厚度从 700 nm 降低到 300 nm 时，发射线宽从 0.122 μ m 收窄到 0.082 μ m，并伴随轻微蓝移；当 hBN 厚度从 50 nm 降低到 10 nm 时，FWHM 从 0.290 μ m 进一步收窄到 0.072 μ m，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、Al ₂ O ₃ 介质间隔层和 hBN/ 石墨烯层组成，形成 Fabry – P é rot 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 μ m 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 Al ₂ O ₃ 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 μ m，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