Credit: J. Luo/Soochow University
石墨烯等超薄导电薄膜在现代光电子器件中应用广泛，但人们认为其效能存在根本性限制：它们最多只能吸收入射光的一半。中国研究团队近日证实，当光线以近乎平行于薄膜的掠射角度入射时，吸收率可高达82.8%。这一发现不仅能显著提升设计效率，更揭示了远低于光波长尺度下的光-物质相互作用机制。相关成果发表于《Physical Review Letters》。
石墨烯超薄膜仅由单层碳原子构成（厚度约0.34纳米，相当于纸张厚度的30万分之一），广泛应用于柔性透明电子器件、储能电池、太阳能电池等光伏设备、传感器、高速电子器件以及众多依赖光吸收的技术领域。
尽管这类薄膜使设备微型化与轻量化成为可能，但其极致纤薄特性曾导致人们认为其吸收能力仅限于入射光的一半。
上图：五块掺杂硅晶片的实物照片，厚度约75微米，导电性各异。左下：0.2太赫兹TM波入射角变化时测得的吸收率A曲线。右下：同批晶圆与光照条件下的模拟吸收曲线。来源：《物理评论快报》(2026)。DOI: 10.1103/71vr-lb26
科学家为何认为存在50%上限
该50%极限源于散射过程中产生的电场。当光波撞击薄膜时，部分反射部分折射。薄膜正上方与正下方均形成电场。假设薄膜均匀对称，则薄膜正上方平行电场强度必须等于下方对应电场强度。
由此推论，这种对称性意味着无论光波频率、偏振状态及入射角度如何变化，吸收能量均固定为50%。更进一步，当光波近乎平行于薄膜表面（即与薄膜平面垂直）时，吸收率似乎会趋近于零。
传统理论面临的挑战
中国苏州大学的Jie Luo及其团队首先从理论层面攻克难题。基于麦克斯韦方程组与薄膜材料基本电磁特性的计算表明：对于掠射光，严格的反射-透射关系并不成立。
这意味着此类光的吸收率理论上可能超过50%。事实上，通过求解复杂的吸收方程，他们得出显著预测：当薄膜厚度远小于光波长且入射光呈掠射时，吸收率可高达2√2-2（即82.8%）。同时，反射率下限为1-82.8%（即17.2%）。
“掠入射TM波的增强吸收现象看似矛盾，”他们写道。（TM代表横磁极化，即波的磁分量完全垂直于传播方向，而电场分量可沿传播方向存在分量。）
“传统理论预测掠入射时应近乎全反射且吸收可忽略…… 令人惊讶的是，我们在本研究中意外发现强烈的宽带吸收增强现象。当考虑[掠射角度下]极高的导电性时，这一矛盾便迎刃而解……[这种导电性]补偿了减弱的[平行电场]，从而维持了显著的切向电流……进而实现高效能量耗散。”
换言之，反射与透射之间不存在固定关系，因此吸收率可突破50%。
检验理论极限
为验证预测，研究人员将厚度仅10微米的导电硅胶薄膜悬置于自由空间，并照射太赫兹频率的TM光（该光波长约300微米）。
实验发现吸收率确实接近理论极限值82.8%，但入射角超过80度时难以实现（此处角度相对于薄膜法线方向）。这是因为实际操作中难以保持光束与悬浮薄膜高度平行——其他光电子学研究者也遇到了同样的限制。
因此其实验吸收数据在80度以上入射角不可靠，但在该角度以下确实趋近理论极限值。
研究团队进一步测试了10 GHz微波及红外光，发现所有波段在掠射角下吸收率均达82.8%峰值，称该结果“令人震惊”。
他们发现导电材料（如银、金等贵金属）以及新兴二维材料Mxenes均呈现相同最大吸收率。研究人员指出，该发现将推动“太赫兹调制器与广角光探测器的应用发展”，其突破性意义在于为极端角度下的高性能器件研发开辟了广阔前景。
文献信息
Breaking the Intrinsic Absorption Limit for Arbitrarily Thin Conductive Films at Grazing Incidence
DOI: https://doi.org/10.1103/71vr-lb26
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