超薄材料革命：解決過熱問題，開啟紅外科技新紀元

想像一下，電子裝置永遠不會過熱，而感測器能夠以無與倫比的精準度檢測汙染物。這不再是科幻情節，而是可能成為現實的科技突破。紐約市立大學高階科學研究中心（CUNY ASRC）的研究人員發現了一種更高效產生長波紅外線和太赫茲輻射的方法，為這一未來鋪平了道路。這項研究於3月19日發表在《自然》期刊上，展示瞭如何利用聲子極化子（phonon-polaritons）來實現這一目標。

聲子極化子是一種特殊的電磁波，當光與材料晶格結構中的振動相互作用時就會形成。這種波具有非凡的特性：它們能夠將長波紅外能量聚焦到奈米級區域，並高效地散熱。這使得它們在高解析度成像、分子感測和電子冷卻等先進技術中具有巨大潛力。然而，儘管聲子極化子的研究已有多年，大多數成果仍停留在理論或實驗室階段，實際應用尚未廣泛展開。

研究的主要挑戰在於激發和檢測聲子極化子波的成本高昂且效率低下，通常需要昂貴的中紅外或太赫茲雷射以及近場掃描探針。CUNY ASRC光子學計畫的教授郭秋實（Qiushi Guo）表示：「我們希望探索是否能夠僅透過電流來發射聲子極化子，類似於半導體雷射或LED的工作原理。」

在這項研究中，郭教授的團隊與耶魯大學、加州理工學院、堪薩斯州立大學和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員合作，發現關鍵在於選擇正確的材料組合：一層薄石墨烯夾在兩片六方氮化硼（hBN）之間。石墨烯以其在室溫下的高電子遷移率而聞名，而當它被hBN包裹時，其遷移率進一步提高。這意味著當電流透過石墨烯時，電子可以被加速到極高速度，並與hBN中的雙曲聲子極化子（HPhPs）高效散射。

實驗結果令人振奮。研究團隊發現，僅需施加1 V/µm的電場，就能觀察到HPhPs的發射，這表明HPhPs的電致發光效率極高。這項研究首次透過實驗證明，聲子極化子波可以完全透過電學方法激發。

此外，研究還揭示了HPhPs電致發光背後的物理機制。研究團隊發現，當石墨烯中的電子濃度較低時，HPhPs透過帶間躍遷發射；而在較高電子濃度下，HPhPs的發射則透過帶間躍遷和帶內切倫科夫輻射兩種途徑實現。這一發現不僅為開發奈米級長波紅外或太赫茲光源開闢了新途徑，還為能源應用提供了令人興奮的機會。

郭教授指出，在HPhPs電致發光過程中，石墨烯中的熱電子迅速失去其多餘的動能，這正是導致過熱的主要原因。利用這一機制，可以實現電子裝置的高效散熱。這項技術的突破為下一代分子感測和電子裝置的熱管理奠定了基礎，並有望重新定義現代裝置的能源效率和緊湊性。

參考文獻：Hyperbolic phonon-polariton electroluminescence in 2D heterostructures, 2025年3月19日, 《自然》。DOI: 10.1038/s41586-025-08686-9