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–Pérot 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、Al₂O₃ 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，Al₂O₃ 层用于形成 Fabry–Pérot 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 μm 处实现 100% 吸收，其半高全宽（FWHM）为 0.178 μm。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、Al₂O₃ 间隔层厚度为 600 nm、hBN 厚度约为 25 nm 时，器件在 7.40 μm 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 μm，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。
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 Al₂O₃ 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 μm 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。
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 μm 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–Pérot 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。
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、Al₂O₃ 介质间隔层和 hBN/石墨烯层组成，形成 Fabry–Pérot 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 μm 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 Al₂O₃ 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 μm，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。
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–Pérot cavity, Opt. Laser Technol.197 (2026) 114813.
论文链接： https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2026.114813
本文来自热辐射与微纳光子学，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
