什么物質能有如此靈敏的光學響應，讓研究團隊最終制出了神奇的反射材料？答案要從石墨烯中找。“石墨烯最大的好處就在于它的光學響應可通過施加電壓進行很好的調制。如果一般的銅、金、銀這些金屬，你也可以給它加電壓、填電子，但它里面電子已然數目異常巨大，往里加個把電子，它‘看不見’，光學響應沒什么變化”，周磊指出，而對石墨烯，只要往里面填一點電子，它的光學響應、對光的反射率，就會發生巨大變化。其絕對變化不會太大，但相對變化會非常劇烈。所以研究團隊想到了用它來和超表面結合，制成特殊材料。
讓石墨烯與超表面親密接觸
“我們的發現，為實現基于大幅相位調控的光子器件，打下了堅實的基礎”
周磊向記者介紹：“這項研究由物理系張遠波課題組和我們共同完成。張遠波團隊在石墨烯研究方面有著深厚的積累，而我們則主攻超表面領域。”
超表面是一種對光學有著奇異響應的金屬結構表面陣列，但這種奇異的響應是動不了的，一旦設計好了，其性質就不發生變化。
“于是我們就想到用石墨烯把它調得能夠實現動態變化，便與遠波團隊一起合作。兩個課題經過三年的攻堅終于取得了這項成果。”周磊說。
不僅能夠動態調控，石墨烯與超表面耦合在一起的反射體系，還具有超薄、極小的特點。用傳統液晶及其他半導體材料制成的相位調制體系的厚度，如果以光的波長為單位來衡量，通常需是波長的很多倍，而石墨烯超表面的厚度則只有十分之一個波長。不僅超薄，在光斑橫向的尺度上，這種新材料也能做到極小。
最后，作為應用實例，研究還展示了一個基于石墨烯超表面的太赫茲偏振調節器。周磊指出：“太赫茲波段的波長所對應的尺度大概是幾十到上百微米，這個波段是非常重要有用的，但是在該波段內能做出一些動態器件卻是很不容易的。總之，我們的發現，為實現基于大幅相位調控的光子器件，打下了堅實的基礎。”
【延伸閱讀】“撕”出來的石墨烯
許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，果殼網署名魏郎爾的文章稱，但這些美妙的特性對樣品質量要求非常高。要想獲得電學和機械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費時費力費錢的手段：機械剝離法。
2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。他們不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學獎。
看起來雖然所需的設備和技術含量看起來都很低，但問題是這樣做的成功率更低，要論產業化，這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦，一天又能剝下來幾片？
當然現在我們有了很多其他方法，能增加產量、降低成本。例如，我們有液相剝離法：把石墨或者類似的含碳材料放進表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法，在兩層硅中間直接設法長出一層石墨烯來。還有化學氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但麻煩的是這些辦法生產的石墨烯產品質量又掉下去了。
這些辦法為什么做不出高質量的石墨烯？舉個例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環，但在邊緣部分往往會被打亂，成為五元或七元環。這看起來沒啥大不了的，但是化學氣相沉積法產生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點上生長出來的一片。它其實是多個點同時生長產生的“多晶”，而沒有辦法能保證這多個點長出來的小片都能完整對齊。于是，這些畸形環不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內部，成為結構弱點、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點不像多晶金屬那樣會自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結果是整個石墨烯的強度要減半。
只能說材料是個麻煩的領域，想魚與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒有那么快。
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