任信钢  香港大学电气与电子工程系/安徽大学智能计算与信号处理教育部重点实验室
姜立军   香港大学电气与电子工程系
单光存  北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院/加利福尼亚大学（UCLA）加利福尼亚纳米系统研究所&化学与生物化学系

2004年，两位英国科学家Andre Geim和Kostya Novoselov采用机械剥离法成功从石墨中分离出二维材料石墨烯，自此石墨烯引起了各学科领域研究人员的广泛关注。单原子厚度的石墨烯独特的材料特性，如较高的光透过率、电子迁移率、机械强度、柔韧性、导热性等突出优点，在电子通讯、清洁能源、复合材料等诸多领域的应用已崭露头角。基于石墨烯的功能性器件的研究更是如雨后春笋般涌现，石墨烯功能性器件的研究、发展和商业化应用将对未来人们的生活带来颠覆性的变革，具有重要意义。

近期，香港大学王嵘、姜立军及浙江大学沙威等人综述了微波、太赫兹和光波段石墨烯功能性器件的最新发展及其面临的挑战机遇 [1]。论文首先基于紧束缚模型以及产生和湮没算符给出了石墨烯的哈密尔顿系统物理表示，并推导给出石墨烯表面电导率的解析表达式及传统计算电磁学中石墨烯的两种电磁处理方法。其次总结了石墨烯的三种实验制备方法：机械剥离法、外延生长法和化学气相沉积法，并分析了各自方法的优缺点，简述了石墨烯在微波频段集成电路中的潜在应用。另外，论文详细介绍了太赫兹到近红外频段基于石墨烯天线及其可调性质的研究近况，如调控石墨烯本征吸、天线光学频谱和辐射方向图等，重点论述了设计动态可调天线的最新进展，如动态调控外加电压、电极位置和石墨烯几何结构设计等，研究结果表明石墨烯电导率的调控可实现动态可调石墨烯天线（图1）。论文同时也介绍了太赫兹和红外波段的石墨烯等离子体调制器以及探测器的研究进展，分析目前存在的挑战以及后续研究的方向。最后，作者提出石墨烯功能性器件工业化生产存在的问题，特别是石墨烯中物理机制如热电子、非线性及量子效应等仍然是亟待解决的研究课题。石墨烯功能性器件的研究和产业化将对人类的科技发展和日常生活具有革命性的意义。

图1 (a) 石墨烯等离子体近场图，器件结构如图所示为二氧化铝(Al₂O₃, 4nm)/掺杂石墨烯(Graphene，μ_c = 1.1 eV)/二氧化硅(SiO₂, 100 nm)，近场为波长3000nm；[2] (b) 石墨烯纳米天线的消光截面随费米能级的变化；(c) 正弦调制的漏波天线示意图，图中石墨烯纳米带非均匀分布，(d) 费米能级μ_c = 0.5 eV（top）和0.9 eV（bottom）时石墨烯漏波天线的辐射方向图；[3] (e) 石墨烯可调反射器示意图，图中黑和亮两种颜色分别表示石墨烯具有不同的费米能级；(f) 天线辐射方向图的三维仿真图，以及模式为 l = −1的涡旋电磁波的相前图. [4]

[1]  R. Wang, X. G. Ren, Z. Yan, L. J. Jang, W. E. I. Sha, and G. C. Shan, Graphene based functional devices: A short review, Front. Phys. 14(1), 13603 (2019)

[2]  X. G. Ren, W. E. I. Sha, and W. C. H. Choy, Tuning optical responses of metallic dipole nanoantenna using graphene, Opt. Express 21(26), 31824 (2013)

[3]  Z. Chang, B. You, L. S. Wu, M. Tang, Y. P. Zhang, and J. F. Mao, A reconfigurable graphene reectarray for generation of vortex THz waves, IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett. 15, 1537 (2016)

[4]  P. Y. Chen, M. Farhat, A. N. Askarpour, M. Tymchenko, and A. Alu, Infrared beam-steering using acoustically modulated surface plasmons over a graphene monolayer, J. Opt. 16(9), 094008 (2014)

Rong Wang, Xin-Gang Ren, Ze Yan, Li-Jun Jiang, Wei E. I. Sha, and Guang-Cun Shan, Graphene based functional devices: A short review, Front. Phys. 14(1), 13603 (2019)