这篇文章《Photocurrent in Graphene Harnessed by Tunable Intrinsic Plasmons》由Marcus Freitag、Tony Low、Wenjuan Zhu、Hugen Yan、Fengnian Xia 和 Phaedon Avouris等人共同撰写，发表于2013年6月3日的《Nature Communications》期刊。
石墨烯的光学特性，尤其是在红外和太赫兹波段，因其优异的电学和光学性质而受到广泛关注。然而，单层石墨烯通过带间跃迁的光吸收效率较低，限制了其在光电器件中的应用。为了提高石墨烯的光吸收率，研究人员尝试了多种方法，如在石墨烯上构建微腔，或通过量子点、蝴蝶天线等等离子体纳米结构的引入来增强与光的相互作用。此外，采用自由电子的德鲁德响应和重度化学掺杂已在远红外区域实现了最高40%的光吸收，但石墨烯在中红外波段的吸收仍然较低。
研究表明，利用石墨烯的内在等离子体（graphene plasmons），即石墨烯中的集体电子密度波动，能够调节石墨烯在中红外波段的吸收。这些内在等离子体不仅能够在亚波长维度内有效地限制电磁能量，还由于较长的寿命，比金属中的等离子体更具优势。这一特点使得石墨烯成为可调光电开关器件的理想材料。
本研究的主要目的是探索石墨烯等离子体在光电探测器中的应用，尤其是通过调节背栅电压来调控等离子体的吸收和响应，以提高石墨烯光电探测器在中红外波段的光响应能力。文章通过石墨烯纳米带阵列（Graphene Nanoribbons, GNRs）在调谐的内在等离子体模式下的光电效应来实现这一目标。
本研究的实验流程涉及多个步骤，包括样品的制备、光电特性测试和数据分析。
样品制备 石墨烯样品采用化学气相沉积法（CVD）在铜箔上生长，并通过化学刻蚀去除铜箔，将石墨烯转移到含有90 nm二氧化硅（SiO₂）的硅芯片上。使用电子束光刻技术（e-beam lithography）制造石墨烯纳米带阵列，并进行氧等离子体处理以刻蚀出所需的图形。纳米带宽度从80 nm到200 nm不等。
光电特性测试 使用红外激光（10.6 μm）照射石墨烯纳米带阵列，探测器的光电流响应根据不同的极化方向（s-极化和p-极化）进行测量。在实验中，s-极化光主要激发出石墨烯与SiO₂基底表面极性声子（sp phonons）耦合的内在等离子体模式，而p-极化光则激发电子-空穴对（electron-hole pairs）。通过变调节栅电压，研究人员能够调节石墨烯的费米能级，进而影响光电响应。
数据分析 对于每种不同条件下的光电流响应，研究人员测量了电流与栅电压、光强、极化角度等的关系，进一步分析了等离子体模式对光电流的贡献。研究还通过比较不同宽度的纳米带阵列，探讨了宽度对光电流响应和等离子体共振峰位置的影响。
光电流的极化敏感性 通过测试不同极化方向的红外光照射下的光电流响应，研究发现s-极化光能显著增强光电流，而p-极化光产生的光电流要弱得多。特别是在石墨烯纳米带阵列宽度较小时，光电流的极性对光的极化方向敏感。
内在等离子体模式的光电增强效应 研究人员还发现，石墨烯的内在等离子体模式显著增强了光电流响应，尤其在通过栅电压调节等离子体共振频率时，响应幅度可达到未调节时的十倍。通过调节纳米带宽度和化学掺杂，可以进一步优化光电响应。
温度效应和光电流的增益 在实验中，石墨烯纳米带阵列的光电流响应导致的温升比传统的二维石墨烯探测器高出四倍，这表明石墨烯纳米带阵列在光电探测器中具有更高的热效应。通过量测温度变化，研究人员进一步确认了光电流和温度升高之间的关系。
本研究展示了石墨烯等离子体在光电探测器中的应用潜力，特别是在中红外波段的调谐光电响应。研究证明，通过设计石墨烯纳米带阵列并调节其电子结构，能够显著提高石墨烯在红外光探测中的表现。此外，石墨烯内在等离子体的长寿命特性使其在光电探测器中的应用更加具有优势。
内在等离子体与声子耦合的光电增强效应：通过石墨烯与SiO₂表面极性声子耦合形成的长寿命等离子体-声子混合模式，显著增强了石墨烯的光电响应。
光电流的极化敏感性：研究发现石墨烯纳米带阵列对光的极化方向具有敏感性，在某些条件下可以通过控制光的极化方向来调节光电流的极性，这一特性尚未在其他材料系统中报道。
宽度调控的光电响应：石墨烯纳米带的宽度对光电响应具有显著影响，研究通过不同宽度的石墨烯纳米带阵列测试了光电流响应的变化，进一步优化了光电探测器的性能。
本研究为石墨烯基光电探测器的开发提供了新的思路，特别是通过调节石墨烯内在等离子体的调谐能力，可以实现对特定波段光的高效探测。该研究为中红外、太赫兹以及其他重要光谱区间的光电探测器的设计和优化提供了理论依据和实验支持，具有重要的学术价值和应用前景，尤其在安全监控、成像及传感器等领域具有广泛的应用潜力。
此外，石墨烯等离子体-声子混合模式的研究还为新型光电器件的设计提供了新的物理机制，未来可以探索更多基于此原理的高性能探测器。