俄羅斯科學院西伯利亞分校布德克爾核物理研究所專家與勒扎諾夫半導體物理研究所同事，利用新西伯利亞自由電子激光器(NFEL)的太赫茲(THz)輻射，研究了石墨烯納米顆粒復合薄膜的光學特性。相關研究成果發表在《IEEE太赫茲科學與技術學報》上。

從左到右：石墨烯薄片基墨水、天然石墨、含細顆粒的石墨懸浮液。攝影：T. Morozova。

此次研究中，專家們首次證明，石墨烯納米顆粒復合薄膜的層可用于生成和傳播表面等離子體極化激元(SPP)。SPP是一種不會發射到太空中、可沿材料表面傳播的電磁波，利用它可研究導體近表面層的光學特性，這對集成電路的能效至關重要。在石墨烯薄膜上生成SPP，未來有望用這種數百納米厚的復合材料創建太赫茲頻率范圍(即6G代)通信系統的等離子體元件。

石墨烯是由碳原子排列成六邊形晶格的二維材料，雖理論研究始于1947年，但因二維晶體在三維空間中不穩定，直到2004年才成功合成，此后對其性質的深入研究持續至今。它因獨特的電學、機械和光學性質受關注，如高導電性使其在納米電子學和電信領域應用廣泛。

俄羅斯科學院西伯利亞物理問題研究所首席研究員伊琳娜·安東諾娃稱，石墨烯是厚度為半納米的單層材料，是石墨衍生物但特性不同，其導電性和熱容量隨厚度降低而增強，通過改變薄膜顆粒可控制其性質。

生產高質量、大面積石墨烯單層并非在任何基底上都可行，且許多任務無需單層石墨烯。俄羅斯科學院西伯利亞分院物理問題研究所三維納米結構物理與技術實驗室開發了復雜多階段技術，用含多層石墨烯顆粒的墨水在2D打印機上打印薄膜，石墨烯顆粒通過電化學剝離石墨獲得，導電聚合物確保顆粒結合。該薄膜在制造微電子元件、葡萄糖傳感器和憶阻器方面有應用前景，預計將在太赫茲光子學中找到應用。

俄羅斯科學院西伯利亞物理問題研究所研究員阿爾喬姆·伊萬諾夫介紹，天然石墨研磨后得到的顆粒不穩定，需用物理和化學方法分層使其變成穩定懸浮液，再分離出小顆粒制成墨水用于打印。

石墨烯薄膜及其復合材料前景廣闊，可用于制造太赫茲生物傳感器，因其光學特性對生物分子和復合物敏感;在太赫茲波段等離子體集成電路中也有潛在應用潛力。但確定其光學特性是難題，INP SB RAS高級研究員瓦西里·格拉西莫夫稱，復合石墨烯由納米顆粒組成，與金屬不同，其光學特性難以描述。此次研究首次應用太赫茲等離子體折射法，研究了厚度為15至400納米的石墨烯納米顆粒復合薄膜的光學常數。

新西伯利亞自由電子激光器(NFEL)被用作太赫茲輻射源，其平均功率比0.8至10 THz范圍內其他光源高出數倍，且產生頻率可平滑調節，這對研究至關重要。

瓦西里·格拉西莫夫還表示，表面等離子體極化子能“感知”材料光學特性，研究結果表明所研究復合材料電導率僅比金屬低1 - 2個數量級，未來可應用于太赫茲集成等離子體技術。目前工作雖為基礎性，但可靠的光學特性信息對基于石墨烯薄膜的生物傳感器和等離子體集成電路設計意義重大，導體的光學常數會影響等離子體集成電路元件尺寸和能量效率。

此外，用于6G移動通信的太赫茲天線已由俄羅斯科學院西伯利亞科學研究所(ISP SB RAS)生產，采用石墨烯薄片制成。