Гибкое управление электромагнитным поведением олигомера графена путем настройки химического потенциала

Введение

В последнее время все большее количество субволновых компонентов и структур было разработано и изготовлено на основе метаматериалов (ММ), которые привлекают внимание благодаря универсальности управления электромагнитным (ЭМ) поведением [1]. ММ поддерживают уникальные явления, которые не могут существовать в природе, включая отрицательный показатель преломления [2], необычайное оптическое пропускание [3] и прозрачность, индуцированную электромагнитным полем [4]. Благодаря уникальным свойствам ММ наноустройства, состоящие из ММ, имеют более заметные преимущества, чем наноустройства, обладающие ярко выраженной и гибкой способностью регулировать и контролировать поведение ЭМ, что ведет к развитию наноустройств в направлении высокого качества и интегрируемости. Плазмонные ММ - это один из видов метаматериалов, в котором используются поверхностные плазмоны (ПП) для достижения новых оптоэлектрических свойств [5, 6]. СП - это колебания свободных электронов в металле, возникающие в результате взаимодействия света с металло-диэлектрическими материалами. При определенных обстоятельствах взаимодействие падающего света с поверхностными плазмонами может производить самоподдерживающиеся распространяющиеся электромагнитные волны, известные как поверхностные плазмон-поляритоны (ПП), которые распространяются вдоль границы раздела металл-диэлектрик [7]. ППП намного короче падающего света по длине волны, что подходит для наноструктур с субволновым следом [8]. Свет, попадающий на плазмонные МЗ, трансформируется в ППП, что приводит к появлению сильной локализации поля в этих структурах на резонансных частотах. Электромагнитные свойства плазмонных структур в первую очередь контролируются их геометрией, что позволяет оптимизировать электрические и магнитные свойства в широком диапазоне [9,10,11,12]. На практике электронно-лучевая литография и фрезерование сфокусированным ионным пучком - два распространенных метода изготовления плазмонных структур на плоских подложках. Превосходное поведение ЭМ проистекает из уникальных особенностей плазмонных структур с характеристиками меньше длины волны света, разделенной субволновыми расстояниями, что открывает поразительный способ разработки приложений в наномасштабе, таких как зондирование [13], спектроскопия с улучшенной поверхностью [14] и нелинейная оптика [15]. Наиболее распространенные плазмонные МЗ состоят из золота и серебра, которые обладают отрицательной реальной диэлектрической проницаемостью [16]. Однако благородные металлы имеют относительно большие омические потери и низкую гибкость, поэтому после закрепления структуры поведение ЭМ не может быть дополнительно оптимизировано, что ограничивает разработку наноустройств на основе плазмонных структур [17, 18].

Графен - это двухмерный материал, состоящий из sp ² гибридизация атомов углерода в структуре сотовой решетки. Из-за превосходного поведения в электронике, а также в фотонике графена, различные исследовательские группы исследуют графен различными методами для создания плазмонных структур, которые демонстрируют более низкие потери, более высокое ограничение и настраиваемость электромагнитных полей [19,20,21,22,23] . Графен способен принимать SPP в большом диапазоне от терагерцовых до средних инфракрасных частот [24,25,26]. Графен имеет большой потенциал для улучшения взаимодействия света с веществом в двумерном режиме из-за ПП с сильным удержанием света [27]. Олигомеры графена образуют плазмонные молекулы (ПМ) посредством взаимодействий между компонентами, где электромагнитные поля с сильным усилением поля следуют симметрии, аналогичной связыванию атомов в химических молекулах [28]. Изменяя химический потенциал графена, графеновые ПМ могут достигать высокого качества и гибкости [29]. Однако есть более регулируемые параметры структуры, такие как химический потенциал графена в различных положениях, для графеновых наноструктур, чтобы управлять поведением ЭМ. Большинство описанных графеновых наноструктур концентрируются на изменении химического потенциала всей структуры, что не позволяет объяснить взаимосвязь между химическим потенциалом графена в различных положениях и электромагнитным поведением графеновой наноструктуры. Предлагаемые графеновые наноструктуры могут стимулировать более превосходные электромагнитные свойства и повлияют на широкий спектр плазмонных приложений.

Чтобы проверить механизмы воздействия PM на основе графена, в данной работе систематически проводилось численное исследование олигомера графена, состоящего из 13 графеновых нанодисков одинакового размера, путем намеренного изменения химического потенциала частичного графена. Олигомер графена с D _12h симметрия способна поддерживать две плазмонные моды в расчетном диапазоне. Дальнейшее использование олигомера графена зависит от точного контроля локального химического потенциала графена. Выборочно изменяя химический потенциал олигомера графена, два врожденных плазмонных режима глубоко модулируются. Настройка химического потенциала выдающихся графеновых нанодисков в двух плазмонных режимах, соответственно, по-разному влияет на два плазмонных режима. Изменение химического потенциала части пересечения между двумя плазмонными модами усиливает оба плазмонных резонанса и приводит к вырождению плазмонных мод. Кроме того, изменение химического потенциала центрального графенового нанодиска также существенно влияет на ЭМ свойства олигомера графена. Результаты моделирования показывают, что олигомер графена обладает высокой настраиваемостью и гибкостью, а также предоставляет новые степени свободы для разработки плазмонных наноустройств, способных настраивать двумерное ограничение света.

Имитационные методы и модели

В нашей модели графен рассматривается как одна тонкая пленка с толщиной слоя в один атом ∆ и моделируется комплексной диэлектрической проницаемостью ε [22].

где ∆ =0,334 нм, σ _г - комплексная поверхностная проводимость графена, ŋ ₀ =377 Ом означает независимость свободного пространства, а k ₀ =2 π / λ - волновое число света в воздухе. Комплексная поверхностная проводимость σ _г монослоя графена моделируется формулой Кубо, которая состоит из вкладов как внутризонного электрон-фотонного рассеяния σ _внутри и межзонный электрон-электронный переход σ _интер [30],

где

В этих уравнениях e - заряд электрона, ℏ - приведенная постоянная Планка, k _B - постоянная Больцмана, T - температура, установленная равной 300 K, τ - время релаксации импульса, установленное равным 0,5 пс, ω - радианная частота, и μ _c - химический потенциал графена.

Мы включаем массивы графеновых нанодисков в олигомер графена с D _12h симметрии (рис. 1а), чтобы исследовать поведение ЭМ. Олигомер графена состоит из 13 графеновых нанодисков одинакового размера, где один нанодиск расположен в центре, а другие окружают его с симметрией двенадцатиугольника. Радиус дополнительной концентрической окружности R ₀ составляет 240 нм, а радиус отдельных нанодисков R ₁ составляет 50 нм. Олигомер графена, состоящий из большого количества графеновых нанодисков, имеет преимущество в гибкости выбора для изменения химических потенциалов. Как показано на рис. 1b, олигомер графена окружен воздухом, имеющим показатель преломления n ₁ =1 и прилипает к подложке из диоксида кремния с показателем преломления n ₂ =1,5. Падающий свет направлен вертикально по отношению к олигомеру графена, а поляризация - вдоль оси y. Теоретически эффективный показатель преломления графена описывается

где ε _eff - эффективная диэлектрическая проницаемость окружающей среды, ε ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума и c это скорость света в вакууме. Согласно уравнениям (2, 3, 4 и 5) видно, что n _eff является функцией от μ _c и зависимость показана на рис. 1c и d, означая, что резонанс предлагаемой нами структуры может быть целесообразно модифицирован путем манипулирования химическим потенциалом графена. Следует отметить, что | Im ( нет _эфф ) | / | Re ( нет _эфф ) | значительно мала. Итак, реальная часть n _eff в основном влияют на результаты вычислений и мнимую часть n _eff мало влияет на нашу модель с изменением химического потенциала. Поэтому мы пренебрегаем эффектом мнимой части n _eff в этом исследовании.

а Принципиальная схема олигомера графена с симметрией D _12h состоящий из 13 одинаковых графеновых дисков. б Имитационная модель олигомера графена. Олигомер графена помещается на подложку из диоксида кремния с n ₂ =1.5 и окружен воздухом с n ₁ =1. c , d Действительная и мнимая части n _eff с химическим потенциалом графена от 0,4 до 0,8 эВ

Электрические поля и спектры экстинкции олигомера графена рассчитываются в коммерческом программном обеспечении метода конечных элементов (МКЭ) COMSOL Multi-Physics, RF Module. Сечение экстинкции σ _ext получается как σ _ext = σ _sc + σ _абс , где σ _sc соответствует сечению рассеяния

и сечение поглощения σ _абс , определяется

В этих уравнениях я ₀ - интенсивность падающего излучения. \ (\ overrightarrow {n} \) обозначает вектор нормали, направленный наружу от плазмонного нанокластера, \ (\ overrightarrow {S_ {SC}} \) обозначает вектор Пойнтинга для рассеянного поля. Интеграл в уравнении (6) берется по замкнутой поверхности разброса. Q - плотность потерь мощности в олигомере. Интеграл в уравнении (7) берется по его объему. Спектры экстинкции рассчитываются в выбранном диапазоне длин волн среднего инфракрасного диапазона. Идеально согласованный слой (PML) наносится вокруг предложенной наноструктуры, чтобы избежать отраженных световых полей. Толщина графена составляет не менее пяти слоев, чтобы гарантировать точность моделирования.

Результаты моделирования и обсуждения

Эффект локального изменения химического потенциала графеновых нанодисков в плазмонных режимах

Для предложенной структуры спектры экстинкции (рис. 2) демонстрируют два выраженных резонанса, связанных с возбуждением плазмонов в олигомере графена. Олигомер графена способен поддерживать два плазмонных режима, оба из которых чувствительны к химическому потенциалу графена μ _c . Изменяя μ _c Для всего олигомера графена от 0,4 эВ до 0,6 эВ оба двух плазмонных резонанса становятся интенсивными, и позиции перемещаются в более высокий частотный диапазон одновременно. Отчетливое усиление абсорбции в олигомере графена приписывается увеличению плотности носителей с увеличением μ _c , который создает оптический зазор, в котором плазмоны избегают гашения за счет взаимодействия с электронно-дырочными парами (затухание Ландау). Увеличение разрешенных виртуальных электрон-дырочных парных переходов приводит к значительному взаимодействию когерентно связанных графеновых нанодисков, которое усиливает максимум экстинкции [21]. Мы выбираем спектр экстинкции с μ _c =0,5 эВ в качестве эталона и два пика, отмеченных A ₀ и B ₀ представляют собой две различные плазмонные моды, а соответствующие электрические поля представлены на рис. 2б. Сильные концентрированные электрические поля появляются как наноразмерные электромагнитные горячие точки и приводят к усилению экстинкции. Для пика A ₀ , горячие точки в основном концентрируются на восьми нанодисках вверху и внизу, и особенно сосредоточены на четырех нанодисках в самых высоких и самых низких позициях в наноструктуре. Для пика B ₀ , горячие точки в основном концентрируются на восьми нанодисках слева и справа, а четыре самых ярких нанодиска находятся в крайних левом и правом положениях наноструктуры, что перпендикулярно моде пика A ₀ . На основе различных распределений электрического поля пика A ₀ и B ₀ , определяем режим пика A ₀ как режим Y и режим пика B ₀ как режим X для четкого выражения. Четыре самых ярких графеновых нанодиска в режиме Y очень темные в режиме X и наоборот. Еще четыре графеновых нанодиска, состоящих из квадрата, относительно яркие как в режиме Y, так и в режиме X, определяемом как часть пересечения. Мы разделим периферийные графеновые нанодиски на три части с разными химическими потенциалами μ _{c 1} , μ _{c 2} и μ _{c 3} соответственно (показаны на рис. 3а и б). Нанодиски с размером μ _{c 2} или μ _{c 3} являются самой яркой частью в режиме Y или X. Химический потенциал пересечения части и центра μ _{c 1} сохраняет 0,5 эВ в следующем расчете. Сначала μ _{c 2} увеличивается до 0,6 эВ, а другие остаются на уровне 0,5 эВ (показано на рис. 3а). Тогда μ _{c 3} увеличивается до 0,6 эВ, а другие остаются 0,5 эВ (показано на рис. 3b). Изменяя μ _{c 2} или μ _{c 3} до 0,6 эВ соответственно, серия спектральных вариаций заметно проявляется на рис. 3в. Мы можем видеть, что, изменяя химический потенциал секционных графеновых нанодисков и оставляя другие параметры постоянными, получается гибкая реконфигурация общей спектральной формы, проявляющаяся в систематическом изменении высоты двух резонансных пиков. На рис. 3г подробно изображены электрические поля варианта Y-режима и X-режима. Как показано на рис. 1c, действительная часть n _eff обратно пропорциональна химическому потенциалу. При этом, когда химический потенциал увеличивается, ограничение падающего света становится слабым. Механизм локального изменения химического потенциала в олигомере графена заключается в том, что увеличение химического потенциала уменьшает взаимодействие между светом и графеновыми нанодисками и подталкивает горячие точки к окружающим нанодискам. Если толкание направлено на место сильного плазмонного резонанса, резонанс заметно усиливается, в противном случае он уменьшается. Это означает, что эффект локального изменения химического потенциала зависит от распределения электрического поля различных мод. Когда μ _{c 2} увеличивается до 0,6 эВ, пик A ₀ значительно уменьшается и красное смещение до пика A ₁ из-за слабого удержания четырех самых ярких графеновых нанодисков для падающего света, где горячие точки в основном концентрируются на части пересечения. Одновременно пик B ₀ значительно увеличивается и синий сдвиг к пику B ₁ , что связано с тем, что увеличение μ _{c 2} достаточно улучшить режим X. Для μ _{c 3} =0,6 эВ, наоборот. Пик A ₀ немного увеличивается и сдвигается в красный цвет до пика A ₂ возникает в результате улучшения режима Y на μ _{c 3} увеличивается. А пока пик B ₀ синий смещается к пику B ₂ и уменьшается с концентрацией горячих точек на участке пересечения, что соответствует пику A ₁ .

а Спектры экстинкции олигомера графена с химическим потенциалом от 0,4 до 0,6 эВ. б Смоделированные электрические поля (| E |) на двух резонансных пиках

а , b Схематическое изображение селективных графеновых нанодисков с различным изменением химического потенциала в олигомере графена. c Спектры экстинкции с разными химическими потенциалами. г Моделируемое электрическое поле (| E |) в резонансных пиках A ₀ , A ₁ и A ₂ , В ₀ , В ₁ и B ₂

Эти вариации режима Y и X приводят к снижению или усилению спектров экстинкции. Гибкий контроль над кривыми экстинкции достигается за счет настройки электромагнитного поведения Y-моды и X-моды, возникающих в результате выборочного добавления химических потенциалов графеновых нанодисков, что открывает новый путь для разработки графеновых наноустройств с различными функциями. Например, когда μ _{c 2} =0,6 эВ, пик A ₀ становится ниже, пока пик B ₀ значительно усиливается, что делает олигомер графена пригодным для использования в качестве высокоэффективных поглотителей. И наоборот, когда μ _{c 3} =0,6 эВ, значения двух пиков приближаются близко, что удобно для разработки двухдиапазонных наносенсоров.

Улучшение режима за счет увеличения химического потенциала части пересечения

Для электромагнитных полей двух плазмонных мод появляется часть пересечения, состоящая из четырех графеновых нанодисков между двумя плазмонными модами. Как показано на рис. 3d, электрические поля в основном концентрируются на четырех графеновых нанодисках в части пересечения за счет локального изменения химического потенциала. Таким образом, мы полагаем, что химический потенциал части пересечения существенно влияет на ЭМ характеристики олигомера графена и профиль спектров экстинкции. Мы перераспределяем химические потенциалы в олигомере графена. Химический потенциал четырех графеновых нанодисков в части пересечения задан как μ _{c 2} . Химический потенциал других нанодисков μ _{c 1} держится на уровне 0,5 эВ (показано на рис. 4а). Основываясь на механизмах локального изменения химического потенциала, возрастающий химический потенциал части пересечения усиливает как режим Y, так и режим X. Как показано на рис. 4b, с увеличением μ _{c 2} спектр экстинкции кардинально видоизменяется. Когда μ _{c 2} увеличивается до 0,6 эВ, оба двух резонансных пика имеют усиление по сравнению с μ _{c 2} =0,5 эВ. Следует отметить, что вокруг резонансного пика Y-моды появляется новый резонансный пик. Когда μ _{c 2} при дальнейшем увеличении до 0,7 эВ два резонансных пика становятся сильнее, и новый резонансный пик, очевидно, появляется вокруг резонансного пика Y-моды. Выяснение сильного усиления резонансных пиков состоит в том, что увеличение μ _{c 2} эффективно усиливает как режим Y, так и режим X. Увеличение μ _{c 2} способствует плазмонным колебаниям четырех графеновых нанодисков в режиме Y и X соответственно. Резонансный пик расщепления Y-моды на два резонансных пика является процессом вырождения. Как показано на рис. 4c, два резонансных пика, обозначенные I и II, имеют одинаковые электрические поля, но компоненты электрического поля разные. Направления Ey пиков I и II перпендикулярны друг другу, что соответствует двум плазмонным модам, вырождающимся из моды Y. Две новые плазмонные моды изначально сливаются в режиме Y, и две моды начинают разделяться с помощью μ _{c 2} увеличивается. Кроме того, оба вырожденных резонансных пика с μ _{c 2} =0,6 эВ намного больше резонансного пика с μ _{c 2} =0,5 эВ. Таким образом, выбирая графеновые нанодиски в части пересечения для увеличения их химического потенциала, можно улучшить все резонансные пики в спектрах экстинкции. Предлагается усилить поглощение графеновых нанодисков путем выборочного изменения химических потенциалов адаптивных графеновых нанодисков, что помогает создавать плазмонные наноустройства, способные поглощать свет с высокой эффективностью.

а Схематическое изображение селективных графеновых нанодисков с различными химическими потенциалами для изменения химического потенциала пересечения. б Спектры экстинкции при увеличении химического потенциала пересекающейся части от 0,5 до 0,7 эВ. c Электрические поля (| E |) и электрические поля y-компоненты (Ey) в резонансных пиках I и II

Влияние химического потенциала центрального нанодиска

Центральные графеновые нанодиски, введенные в олигомер графена, предназначены для того, чтобы наноструктуры обладали большей гибкостью и дополнительно исследовали эффект локального химического изменения в различных положениях. Из-за большого расстояния между центральным графеновым нанодиском и периферийными графеновыми нанодисками центральный графеновый нанодиск не может соединяться с другими графеновыми нанодисками в двух плазмонных режимах. В этом разделе мы устанавливаем химический потенциал центрального графенового нанодиска как μ _{c 2} . Остальные установлены как μ _{c 1} сохраняя 0,5 эВ (показано на рис. 5а). Изменение химического потенциала центрального графенового нанодиска μ _{c 2} способен изменять электромагнитные поля олигомера графена без изменения геометрии. Результат за счет увеличения μ _{c 2} показаны на рис. 5b и c. Увеличение μ _{c 2} усиливает плазмонные колебания центральных графеновых нанодисков. Однако при увеличении μ _{c 2} относительно мала, силы осциллятора центрального графенового нанодиска недостаточно для поддержки новой плазмонной моды и влияния на собственные моды, поэтому спектр экстинкции μ _{c 2} =0,6 эВ почти не изменился по сравнению с μ _{c 2} =0,5 эВ, где еще появляются два резонансных пика (показаны на рис. 5б). Когда μ _{c 2} достигает большого значения (0,8 эВ), в спектре экстинкции явно появляется новый резонансный пик (показанный на рис. 5в). Огромное улучшение плазмонных колебаний коренным образом меняет профиль спектра экстинкции. Новый резонансный пик возникает из-за сильного взаимодействия между падающим светом и центральным графеновым нанодиском, электромагнитные поля которого в основном концентрируются на центральном графеновом нанодиске, который определяется как центральная мода. Резонансный пик, поддерживаемый центральной модой, намного больше, чем два собственных резонансных пика, в то время как два собственных резонансных пика резко подавляются и даже исчезают в спектре экстинкции. Эффект μ _{c 2} отличается от эффекта, обсуждаемого ранее, потому что центральный графеновый нанодиск не содержится во врожденных плазмонных модах. Эффект μ _{c 2} заключается в изменении химического потенциала всего олигомера графена, о котором говорилось в начале. Таким образом, увеличивая μ _{c 2} , можно создать новое плазмонное устройство, способное эффективно поглощать падающий свет. В сочетании с вышеупомянутыми исследованиями гибкая настройка локализации электромагнитного поля может быть достигнута путем точной регулировки химических потенциалов графенового нанодиска в различных положениях.

а Схематическое изображение селективных графеновых нанодисков с различными химическими потенциалами для изменения химического потенциала центрального графенового нанодиска. б Спектры экстинкции олигомера графена с химическим потенциалом центрального графенового нанодиска μ _{c 2} =0,5 эВ и μ _{c 2} =0,6 эВ. c Спектр экстинкции олигомера графена с химическим потенциалом центрального графенового нанодиска μ _{c 2} =0,8 эВ. На вставке показаны электрические поля (| E |) в резонансном пике

На практике сплошной атомный однослойный графен сначала выращивают с использованием оптимизированного метода химического осаждения из паровой фазы с CH ₄ как источник углерода. Затем с помощью рамановских измерений определяется, что графеновая пленка является монослойной. Электронно-лучевая литография с полиметилметакрилатом (ПММА) в качестве электронного лучевого резиста используется для создания рисунка на графеновой пленке для создания предлагаемых наноструктур, а экспонированная область вытравливается кислородной плазмой, сохраняя рисунок графена защищенным. слоем ПММА с последующим снятием ацетона. Тогда устройство готово к тесту. Химический потенциал можно регулировать, изменяя химическое и электростатическое легирование. Для химического легирования изменение локального химического потенциала может быть реализовано путем воздействия на требуемые графеновые нанодиски HNO ₃ пара и одновременно предотвращая контакт между другими графеновыми нанодисками и HNO ₃ пар. Для электростатического легирования подходящая конфигурация верхнего затвора может локально управлять химическим потенциалом графена, подавая напряжение на верхнем затворе.

Выводы

В заключение, мы продемонстрировали универсальность олигомера графена для изменения поведения ЭМ и формы спектральных линий путем изменения химического потенциала графена на наноуровне. Характеристики суммируются на основе электрических полей и спектров экстинкции различных химических потенциалов. Во-первых, при изменении химического потенциала двух графеновых нанодисков в режимах Y и X соответственно, в спектрах экстинкции появляется гибкое изменение двух резонансных пиков. Два резонансных пика можно усилить или уменьшить, изменяя различные химические потенциалы олигомера графена. Во-вторых, увеличение химического потенциала части пересечения усиливает оба резонансных пика и вызывает вырождение Y-моды. В-третьих, высокий химический потенциал центрального графенового нанодиска способен поддерживать сильный резонансный пик и одновременно сдерживать два врожденных резонансных пика. Зависимость олигомера графена от химического потенциала предполагает, что можно изменить поведение ЭМ графеновой наноструктуры с помощью химического потенциала без изменения геометрии. Предыдущие исследования, основанные на наноструктурах графена, могут изменить только один пик поглощения, изменяя химический потенциал всего графена [19,20,21,22,23], но метод изменения химического потенциала графена в этой статье может настраивать спектры с помощью дополнительных гибкость, которая позволяет выявить более выдающиеся электромагнитные явления. В области практических приложений наши исследования обеспечивают новую степень свободы для модификации плазмоники графена путем настройки химического потенциала графеновых наноструктур. Графеновые наноструктуры обеспечивают удобную платформу для культивирования электромагнитного поведения света в двух измерениях, что открывает путь для разработки плазмонных наноустройств на основе графена для наносочувствительности, улавливания света и фотодетектирования.

Сокращения

EM:

Электромагнитный

ММ:

Метаматериалы

PML:

Идеально подобранный слой

PM:

Плазмонные молекулы

SPP:

Поверхностные плазмонные поляритоны

SP:

Поверхностные плазмоны