Эффективная модуляция оптического отражения путем сопряжения межзонного перехода графена к магнитному резонансу в метаматериалах

Фон

Динамическое управление спектральными свойствами электромагнитных волн с помощью внешних стимулов, таких как механическая сила, изменение температуры, электрическое напряжение и лазерный луч [1,2,3,4], вызывает все больший интерес из-за многих приложений в области голографических дисплеев. технологии, высокопроизводительное зондирование и оптическая связь. В последние несколько лет было приложено много усилий для активного управления спектрами передачи, отражения или поглощения электромагнитных волн, которые основаны на электрически настраиваемой поверхностной проводимости графена в очень широком диапазоне частот, включая микроволны [5, 6] , терагерц (ТГц) [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28, 29,30,31,32,33], инфракрасный [34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52 , 53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65], и видимый режим [66,67,68,69]. Такое активное манипулирование электромагнитными волнами на основе графена осуществляется под воздействием внешнего электрического воздействия без восстановления связанных структур, что направлено на эффективную модуляцию амплитуды [5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16,17,18,19,20,21, 34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52, 53,54,55,56,57, 66,67,68,69,70,71,72], фаза [6, 22,23,24,25,26,27,28, 58,59,60,61 , 62], и поляризация [29,30,31,32,33, 63,64,65] электромагнитных волн. Три вида модуляторов электромагнитных волн являются наиболее важными для обработки сигналов в оптических системах связи в свободном пространстве [1,2,3,4]. В дальнем инфракрасном и ТГц режиме поверхностная проводимость графена включает только вклад внутризонной, а графен имеет эффективную диэлектрическую функцию, которую можно описать с помощью стандартной модели Друде [27]. Следовательно, на более низких частотах, очень похожих на благородные металлы (например, Ag и Au), наноструктурированный графен также способен поддерживать локализованные или делокализованные поверхностные плазмонные резонансы [73] с большим усилением электромагнитного поля, которое широко используется для усиления света. материальные взаимодействия для эффективной модуляции электромагнитных волн. Например, в 2012 году Sensale-Rodriguez et al. Теоретически представлены модуляторы отражения с превосходными характеристиками на частоте ТГц, используя преимущества плазмонных эффектов в графеновых микролентах [9]. В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах межзонный вклад доминирует в поверхностной проводимости графена, комплексная диэлектрическая проницаемость которого имеет действительную часть положительного значения. Таким образом, на более высоких частотах графен сам по себе больше не поддерживает поверхностные плазмонные резонансы, а при взаимодействии со светом ведет себя больше как сверхтонкая диэлектрическая пленка. В этой ситуации различные высококачественные резонансные моды, поддерживаемые другими наноструктурированными материалами, часто исследуются для электрической модуляции электромагнитных волн с помощью управляемой затвором энергии Ферми графена. Например, Yu et al. теоретически исследовал амплитудную модуляцию видимого света с помощью графена, используя интерференцию Фабри-Перо, моды Ми в диэлектрических наносферах с высоким показателем преломления и резонансы поверхностной решетки в периодическом массиве металлических наночастиц [67]. В последнее десятилетие магнитный резонанс в метаматериалах широко и интенсивно изучается для достижения идеальных поглотителей электромагнитных волн [74,75,76,77,78]. Однако до сих пор существует лишь несколько исследований оптических модуляторов, основанных на магнитном резонансе в метаматериалах со вставленным монослоем графена [34].

Мы предложим эффективный метод модуляции спектров отражения электромагнитных волн в ближней инфракрасной области, связывая межзонный переход графена с магнитным дипольным резонансом в метаматериалах. Обнаружено, что спектры отражения метаматериалов могут быть значительно уменьшены в диапазоне длин волн ниже межзонного перехода графена, поскольку усиленные электромагнитные поля из-за магнитного дипольного резонанса значительно увеличивают поглощение света в графене. Максимальная глубина модуляции амплитуды отражения может достигать примерно 40% вблизи резонансной длины волны магнитного диполя, чтобы межзонный переход был близок к магнитному дипольному резонансу, когда внешнее напряжение прикладывается для изменения энергии Ферми графена.

Методы

Мы схематически показываем на рис. 1 строительный блок исследуемых метаматериалов для эффективной модуляции отражения в ближней инфракрасной области через взаимодействия между магнитным дипольным резонансом и межзонным переходом графена. Мы проводим численные расчеты с помощью коммерческого пакета программ «EastFDTD» [79, 80]. Слой кремнезема имеет показатель преломления 1,45, а серебряные нанополоски и подложка имеют экспериментальную диэлектрическую функцию [81]. Графен имеет относительную диэлектрическую проницаемость, рассчитываемую по следующей формуле [82]:

Схема строительного блока из метаматериалов. Геометрические параметры:период p _x вдоль x направление оси, толщина t проставки из диоксида кремния, ширина w , а высота h серебряных нанополос

где σ _intra и σ _inter - внутризонные и межзонные члены поверхностной проводимости графена, τ - время электрон-фононной релаксации, E _f - энергия Ферми, а t _г - толщина графена. Исследуемые метаматериалы могут быть реализованы экспериментально с помощью передовых технологий нанотехнологий [83]. Во-первых, серебряная подложка и слой диоксида кремния готовятся термическим испарением. Затем однослойный графен наносится на поверхность диоксида кремния путем химического осаждения из паровой фазы. Наконец, периодический массив серебряных нанополос изготовлен методом электронно-лучевой литографии.

Результаты и обсуждение

Сначала обсудим спектры отражения метаматериалов без графена, показанные черной линией и квадратами на рис. 2а. Наблюдается широкий провал отражения при 1210 нм, связанный с магнитным диполем. Когда графен вставлен в метаматериалы, отражение в значительной степени уменьшается для длин волн меньше 1150 нм (положение межзонного перехода в графене), как показано красной линией и кружками на рис. 2а. Причина в том, что усиленные электромагнитные поля из-за резонансного возбуждения магнитного диполя значительно увеличивают поглощение света графеном. Соответственно, вызванная графеном глубина модуляции спектров отражения будет постепенно увеличиваться примерно с 11 до 28%, когда длина волны света увеличивается с 1000 нм до положения межзонного перехода, как показано на рис. 2b. Глубина модуляции обычно определяется как ( R - R ₀ ) / R ₀ , где R и R ₀ - спектры отражения с графеном, вставленным в метаматериалы, и без него [34].

а Численно рассчитанные спектры отражения метаматериалов со вставленным монослоем графена и без него при нормальном падении. б Глубина модуляции. Параметры: p _x =400 нм, ширина =200 нм, h =50 нм, t =30 нм, t _г =0,35 нм, T =300 К, τ =0,50 пс, E _f =0,54 эВ

Чтобы продемонстрировать, что широкий провал отражения имеет отношение к магнитному диполю, на рис. 3 мы наносим электромагнитные поля на xoz плоскость на длине волны 1210 нм. Электрические поля в основном распределены по краям серебряных нанополос, а магнитные поля в основном локализованы в области кремнезема под серебряными нанополосками. Распределение поля - типичное свойство магнитного дипольного резонанса [84]. Между серебряной подложкой и индивидуальной нанополосой плазмонная гибридизация в ближней зоне создает антипараллельные токи, как показано двумя черными стрелками на рис. 3b. Противопараллельные токи могут индуцировать магнитный момент M . противодействуя падающему магнитному полю, чтобы сформировать магнитный дипольный резонанс. Резонансная длина волны сильно зависит от ширины w серебряных нанополосок, которые будут иметь очевидное красное смещение, когда w увеличивается.

Электрический ( а ) и магнитный ( b ) распределения полей на xoz плоскость магнитного дипольного резонанса

Положение межзонного перехода может быть удобно настроено при приложении внешнего напряжения для изменения энергии Ферми E _f . Возможность настройки положения межзонного перехода очень полезна для эффективного управления спектрами отражения. Для E _f при увеличении с 0,46 до 0,58 эВ межзонный переход быстро смещается в синий цвет, как показано светлыми кружками на рис. 4a. Одновременно заметно уменьшается отражение в диапазоне длин волн при межзонном переходе. Вблизи резонансной длины волны магнитного диполя отражение уменьшается до минимума примерно 0,55, когда межзонный переход постепенно настраивается так, чтобы он проходил поперек широкополосного магнитного диполя. На рисунке 4b показан эффект модуляции отражения, вызванный графеном, для различных значений E . _f . При уменьшении E _f , глубина модуляции спектров отражения становится больше и имеет максимум почти 40%, когда E _f =0,46 эВ. Кроме того, настраиваемый диапазон длин волн также становится намного шире из-за непрерывного красного смещения межзонного перехода, когда E _f уменьшается. Однако в диапазоне длин волн при межзонном переходе спектры отражения не модулируются по сравнению со случаем отсутствия графена, и поэтому глубина модуляции практически равна нулю.

Спектры отражения ( a ) и глубина модуляции ( b ) для разных E _f

Межзонный переход тесно связан с энергией Ферми E _f , что в полной мере может проявиться как резкая спектральная особенность диэлектрической проницаемости ε _г графена. На рис. 5 представлены действительная и мнимая части ε . _г для разных E _f . Для каждого E _f , существует узкий пик в действительной части ε _г , и соответственно появляется резкое падение мнимой части ε _г . При уменьшении E _f очевидно, что такая резкая спектральная деталь вызывает красное смещение. В диапазоне длин волн справа от резкого спада мнимая часть ε _г очень маленький. Поэтому спектры отражения не модулируются для длин волн на межзонном переходе. Позиционная зависимость межзонного перехода от энергии Ферми E _f показан на рис. 6. Мы можем ясно видеть, что положения пиков действительной части ε _г полностью согласуются с кружками на рис. 4а.

Реальная часть ( a ) и мнимой части ( b ) от ε _г для разных E _f

а Положения межзонного перехода для разных E _f

Заключение

Мы численно продемонстрировали метод эффективной модуляции спектров отражения электромагнитных волн в ближней инфракрасной области, связывая межзонный переход графена с магнитным дипольным резонансом в метаматериалах. Обнаружено, что спектры отражения могут быть значительно уменьшены в диапазоне длин волн ниже межзонного перехода графена, поскольку усиленные электромагнитные поля из-за магнитного дипольного резонанса значительно увеличивают поглощение света в графене. Максимальная глубина модуляции спектров отражения может достигать примерно 40% вблизи резонансной длины волны магнитного диполя, чтобы межзонный переход происходил вблизи магнитного дипольного резонанса, когда внешнее напряжение прикладывается для изменения энергии Ферми графена. Эффект модуляции отражения, представленный в этой работе, может найти потенциальное применение в системах оптической связи.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.