石墨烯的基本光子学性质

凭借着独特的晶体结构和优异的电子学性能，石墨烯让它的发现者A.K.Geim和K.S.Novoselov荣膺2010年度诺贝尔物理学奖。

然而具有完美二维晶体结构的石墨烯所拥有的不仅仅是最高可达10e6cm2/V?s的载荷子迁移率，表面可以弯曲但却比钻石还要高的强度，和高达5300W/m?K的导热系数，其独特的光学性质也正在吸引着越来越多研究者的目光。

石墨烯材料特有的光子和光电子学性质可以归纳为以下几点：

1）石墨烯中的狄拉克电子在狄拉克点附近呈现线性能量-动量色散关系，这使得石墨烯对在紫外-可见-红外区域的超宽带光谱范围里任何频率的光子都具有共振的光学响应；

2）单层石墨烯的线性光学吸收不依赖于光频率，它对任何波长的低强度光波都具有严格的π?α≈2.3%的吸收率（α为精细结构常数）且总吸收率正比于石墨烯层数，这也使得只有一个碳原子厚度的石墨烯单层也是肉眼可见的；

3）超快的载流子-载流子和载流子-声子碰撞散射使得石墨烯具有超快的载流子弛豫动力学过程。在超短脉冲激发下，其带内热平衡弛豫时间约100飞秒，带间跃迁弛豫时间约几个皮秒；

4）石墨烯具有优秀的非线性光学性质，在不同条件下，石墨烯材料拥有显著的非线性散射、双光子吸收、激发态吸收和饱和吸收性能，其非线性磁化率|χ(3)|可达10e-7esu，也可产生二次谐波；

5）氧化石墨烯在石墨烯sp2杂化碳原子二维网格基础上产生了sp2和sp3杂化碳原子混合的结构，其中被分立的纳米尺度sp2杂化碳原子区域使得原本零带隙的石墨烯产生了一个带隙，带隙宽度决定于sp2区域的大小，形状及所占比例等因素。这个有限宽度的带隙让氧化石墨烯具有优良的可调谐光致发光和电致发光性质。

这些特有的光学属性让石墨烯及其衍生材料在开发透明电极、光伏电池、发光器件、光电探测器、激光锁模器、光开关、激光防护设备、生物传感器等光电器件方面呈现出特别的优势和巨大的潜力。