Идеальное поглощение, индуцированное плазмой в системе графен / металл

Фон

Плазмоника привлекла широкое внимание благодаря своим необычным свойствам [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15] и огромному потенциалу во многих областях, включая интегрированные. фотоника, био-зондирование, захват энергии, фотодетектирование. Недавно было обнаружено новое плазмонное явление, известное как парные поверхностные плазмоны (SSP), которые могут распространяться через перфорированные металлы и преодолевать дифракционный предел [16]. Затем SSP были исследованы в ТГц, микроволновом и низкочастотном диапазонах [17,18,19], и был предложен ряд устройств с глубокими субволновыми длинами волн, основанных на SSP [20, 21]. Однако применению таких устройств серьезно препятствует высокая скорость демпфирования SPP. Одним из решений этой проблемы является среда искусственной плазмон-индуцированной прозрачности (PIT) [22], которая имеет резкое окно прозрачности в широком спектре поглощения. Эффект PIT в основном основан на взаимодействии излучающего элемента и субизлучающего элемента, который широко изучался [23,24,25]. Подобное явление, индуцированное плазмонами поглощение (PIA), также было недавно продемонстрировано в результате конструктивной интерференции ярких и темных плазмонных мод [26]. Резонанс PIA [27, 28] может демонстрировать замечательный эффект быстрого света, который имеет потенциальные применения в оптической коммутации и обработке.

Однако традиционные устройства, основанные на эффекте PIA металлической структуры, трудно или невозможно получить настраиваемыми, что серьезно ограничивает их применение. Графен [29, 30], известный своей полуметалличностью, высокой подвижностью и возможностью настройки, может быть отличным кандидатом в материал для настраиваемых инфракрасных плазмонных устройств. В этой статье мы исследовали настраиваемый эффект PIA, который достигается за счет конструктивной интерференции резонансной моды F-P и квазиуправляемой моды, поддерживаемой периодической серебряной канавкой и монослойным графеном соответственно. Обнаружено, что сила резонанса и ширина линии сильно зависят от расстояния связи. Также показано, что коэффициент экстинкции может достигать ~ 99.999%. Коэффициент экстинкции определяется как 1- R - Т , где R и T - коэффициент отражения и коэффициент пропускания соответственно. Это просто 1- R в нашей системе, поскольку коэффициент пропускания здесь равен 0. В результате сверхвысокий FOM * достигает 10 ⁶ в системе графен / металл может быть достигнута, а резонансная частота может быть динамически настроена путем регулирования напряжения затвора графена. Эти выдающиеся свойства могут быть применены в биохимическом восприятии и динамическом оптическом переключении.

Методы

Схема нашей структуры показана на рис. 1, состоящая из монослоя графена и Al ₂ О ₃ изолированный слой поверх рифленого серебра. Толщина Al ₂ О ₃ составляет г . Система освещается нормально падающей плоской волной поперечной магнитной (TM) поляризации. Остальные структурные параметры выражаются следующим образом: d - глубина серебряной бороздки; w - ширина серебряной бороздки; P - период элементарной ячейки. В средней инфракрасной области внутризонное рассеяние доминирует в сильно легированном графене, а его проводимость принимает друдевский вид σ _г = т.е. ² E _F / [ πħ ² ( ω + iτ ^-1 )]. Время релаксации электронов выражается как τ = мкЭ _F / eυ _F ² , где υ _F = c / 300 - скорость Ферми, E _F - энергия Ферми, а μ =10 м ² / Vs - постоянная подвижность графена [25, 31, 32]. В моделировании с конечной разностью во временной области (FDTD) оптические константы для серебра и Al ₂ О ₃ из исх. [33] и исх. [34]. Периодические граничные условия используются для моделирования бесконечных периодических ячеек. Для простоты мы предполагаем, что материалом области над слоем графена является вакуум ( ε ₀ =1).

Принципиальная схема структуры канавки графен-серебро. а Косой вид. б Схема в разрезе элементарной ячейки

Результаты и обсуждение

Мы смоделировали спектр отражения серебряной канавки с помощью w =100 нм, P =250 нм, d =2000 нм, результат показан на рис. 2а (красная кривая). Широкий провал можно наблюдать на частоте ~ 28 ТГц, с коэффициентом экстинкции ~ 44% и Q фактор ~ 0,8, что связано с резонансом F-P, индуцированным SSP, возбуждаемым падающим светом [19]. Этот резонанс имеет широкий диапазон резонансных полос и, таким образом, резонансная мода может служить режимом сверхизлучения в нашей системе PIA. Затем мы рассчитали спектр отражения графенового листа с металлическими граничными условиями в нижней части области моделирования с уровнем Ферми E _F =0,3 эВ, как показано на рис. 2а (синяя кривая). Спектр отражения показывает, что плазмонный резонанс графена не может быть напрямую возбужден падением на этой частоте. Чтобы визуализировать и оптимизировать плазмонную моду, поддерживаемую графеном, мы сначала моделируем резонансные моды, поддерживаемые графеном. Чтобы исключить возможное влияние резонанса F-P серебряной канавки, мы предполагаем, что канавка сделана из кремния, а не из серебра. Спектры отражения структуры были рассчитаны для E _F =0,3 эВ и другой элементарной ячейке P и показан на рис. 2б. Падение отражательной способности на резонансной частоте f =32,84 ТГц можно наблюдать для P =250 нм с Q фактор ~ 304. Высокий Q резонанс с узкой резонансной полосой может служить субизлучательной (темной) модой в нашей системе PIA. Падение коэффициента отражения обусловлено резонансом плазмонной квазиуправляемой моды в графене с нормальным падением [35], поскольку канавка может компенсировать рассогласование волнового вектора на основе m условие фазового синхронизма-го порядка [36, 37]

Оптический отклик одиночных мод. а Спектры отражения структуры только серебряной бороздки (красная линия) и только графена (синяя линия) при нормальном падении соответственно. б Спектры отражения структуры канавки графен-Si для различного периода P элементарной ячейки. c Численное моделирование и аналитические результаты резонансной частоты f , соответственно. г Электрическое поле E _x распределения моды F-P (слева) и моды квазиуправляемого резонанса графена (справа).

где k _x = k ₀ грех θ , k ₀ =2 π / λ - волновой вектор в свободном пространстве, θ угол между падающим светом и y -направление, n _eff - эффективный показатель преломления моды TM волновода в графене, а G _x - вектор обратной решетки решетки ( G _x =2 π / P ). В следующем обсуждении угол падающего света y -направление равно нулю ( θ =0 °). Ситуация для других углов падения обсуждается в Дополнительном файле 1. Положения этих провалов отражательной способности соответствуют резонансной частоте квазиуправляемой моды в графене, как показано на рис. 2b. Результаты моделирования хорошо согласуются с уравнением. (1), где m =1, а эффективный показатель преломления ~ 33 получается с помощью решений FDTD, как показано на рис. 2c. Электрическое поле E _x Распределения моды F-P и квазиуправляемой моды графена показаны на рис. 2d. Следует отметить, что ограничение энергии мод SSP, поддерживаемое поверхностью Si с канавками, может быть незначительным по сравнению с квазиуправляемым режимом графена.

В ситуации связи две собственные моды будут сильно связаны, когда они приближаются друг к другу, и, следовательно, спектр отражения будет резко изменен. Узкий сублинейный провал увеличенного поглощения с коэффициентом экстинкции ~ 99,97% наблюдается поверх более широкого провала коэффициента отражения, как показано на рис. 3a. При увеличении вертикального расстояния g связь в ближнем поле и квазиуправляемая мода ослабевают по мере уменьшения модуляции провала коэффициента отражения. Есть два возможных способа уменьшения провала отражательной способности:более слабая связь и более слабое возбуждение квазиуправляемой моды. Поэтому мы использовали модель связанных осцилляторов для количественного понимания системы PIA [38].

Оптический отклик зависит от расстояния связи. а Отражение. б Спектры поглощения структурой канавки графен-серебро при нормальном падении для различного расстояния g между графеном и серебряной бороздкой. Черная кривая / синие шары рассчитаны методом FDTD, а красная кривая - аналитическая аппроксимация по формуле. (3) устройства PIA

Где \ ({\ tilde {a}} _ {1,2} ={a} _ {1,2} \ left (\ omega \ right) {\ mathrm {e}} ^ {i \ omega t} \) , ω _1,2 и γ _1,2 - амплитуды гармоник во времени, резонансные частоты и константы затухания яркой моды и темной моды соответственно. б - коэффициент связи, измеряющий, насколько сильно яркая мода взаимодействует с падающим электрическим полем. \ (\ tilde {\ kappa} =\ kappa {e} ^ {i \ varphi} \) - комплексный параметр связи, который вводится для выражения эффекта задержки фазы. φ - фазовый сдвиг, который является ключевым коэффициентом для определения формы интерференции между двумя когерентными путями. Когда φ =0 - реальный параметр, и можно наблюдать типичное поведение эффекта PIT, а взаимовлияние двух когерентных путей является деструктивным. Для φ =π / 2 - чисто мнимый параметр, и взаимовлияние двух когерентных путей преобразуется из деструктивного в конструктивное [26]. Поглощение системой может быть рассчитано как рассеиваемая энергия на основе формулы (2), которая

Затем мы аппроксимируем численные спектры поглощения уравнением. (3) для разных g , которые показаны на рис. 3б (красные кривые). Результаты моделирования хорошо согласуются с результатами аналитического моделирования, основанного на модели связанных осцилляторов, что убедительно подтверждает принцип конструкции нашего устройства PIA. Подгоночные параметры κ , φ , γ ₁ , и γ ₂ показаны на рис. 4a – c. Увеличивающийся g приводит к уменьшению параметра связи κ , как показано на рис. 4а. При постепенном уменьшении сцепления (увеличении g ) фаза φ не меняется, а γ ₂ постепенно уменьшается, пока γ ₁ незначительно изменения показаны на рис. 4б, в. Параметр связи κ превышают константы затухания темной моды γ ₂ для минимального зазора, что подтверждает, что связь яркой моды с темной модой сильнее, чем процессы диссипации в листе графена.

Количественный анализ оптических откликов в связанных системах. Извлеченный числовой ( a ) сцепление, ( b ) фаза и ( c ) коэффициенты демпфирования как функция зазора g . Значения κ , φ , и γ ₁ , γ ₂ были извлечены путем аппроксимации числовых спектров поглощения

Чтобы визуализировать конструктивную интерференцию между яркой и темной модами, мы исследовали эволюцию магнитного поля структуры во времени, и два H _z мониторы были размещены на расстоянии 3 нм от центра графена и 1000 нм от дна серебряной канавки, соответственно. Колебательная разность фаз между двумя модами составляет 0,5π, как показано на рис. 5a. Распределение магнитного поля в другое время было рассчитано на резонансной частоте PIA f _q =32,5 ТГц, где ω _q т ₁ ~ 2,00 π и ω _q т ₂ ~ 2.50π, как показано на рис. 5б, в. Максимум магнитного поля в серебряной канавке можно наблюдать при 2,00π, в то время как магнитное поле в графене достигает максимума при 2,50π, что указывает на противофазную связь между двумя структурами. Следовательно, развитие и формирование резонанса определяется конструктивной интерференцией [39].

Эволюция связанных мод во временной области. а Расчетная эволюция напряженности магнитного поля на графене (красная линия) и серебряной канавке (синяя линия) во времени. Вычислено z компонент распределения магнитного поля для g =90 нм. Максимальные значения напряженности поля в серебряной бороздке и графене наблюдаются в разное время b ω _q т ₁ ~ 2,00π и c ω _q т ₂ ~ 2.50π соответственно

На практике очень желательны узкая полоса отражения и высокий коэффициент экстинкции. Чтобы достичь этих двух условий, мы можем настроить период единицы P и глубина серебряной канавки d для оптимизации наших структурных параметров. После расчета спектра отражения различных параметров структуры P от 1900 до 2100 нм и d от 245 до 265 нм с помощью FDTD, мы получаем очень высокий коэффициент экстинкции ~ 99,999% в P =254 нм и d =1980 нм. Спектр отражения устройства PIA в условиях с различным показателем преломления показан на рис. 6a. Возможности обнаружения определены как [39]:

Чувствительность системы. а Чувствительность датчика PIA для различной диэлектрической среды. б Соответствующая кривая FOM * и спектры отражения

где f и я - резонансная частота и спектральная интенсивность соответственно. При измерении интенсивности отражения датчика чувствительность датчика может быть определена количественно с помощью значения FOM *. Чем выше значение, тем выше чувствительность датчика. Из рис. 6а мы можем получить S =11,2 ТГц / RIU и соответствующий FOM ~ 94,1 с полной шириной на полувысоте (FWHM) ~ 30 нм (0,12 ТГц). Этот FOM больше, чем значение в поглотителях из метаматериалов, основанных на резонансе поверхностной решетки. Кроме того, наш датчик PIA может давать сверхвысокое значение FOM * 3,5 × 10 ⁶ , как показано на рис. 6b. Мы сравнили производительность недавно изученных датчиков в Дополнительном файле 1:Таблица S1.

В системе PIA графен играет еще одну ключевую роль. Модуляция резонансной частоты может быть достигнута путем настройки управляющего напряжения для регулировки уровня Ферми графена. Смоделированные спектры показаны в дополнительных файлах 2:Рисунок S1 и 3:Рисунок S2. Активный контроль частотного сдвига резонанса PIA имеет важное значение для датчика или поглотителя.

Выводы

Таким образом, мы численно продемонстрировали идеальное поглощение, вызванное конструктивной интерференцией между резонансной модой F-P и плазмонной квазиуправляемой модой графена. За счет введения плазмонной квазиуправляемой моды графена мы получаем спектральную линию с более узкой шириной линии резонансной моды F-P с серебряной канавкой. Когда расстояние g постепенно увеличивается, сила резонанса и ширина линии уменьшаются. Для приложения FOM * в нашей системе может достигать 10 ⁶ . Кроме того, окно поглощения можно настраивать, варьируя геометрический параметр и уровень Ферми графена. Эти результаты могут открыть новый путь к реализации наноразмерного динамического управления спектром в среднем инфракрасном диапазоне и сверхчувствительных оптических датчиков.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью [и файлы с дополнительной информацией к ней].

Сокращения

FDTD:

Конечная разность во временной области

FOM *:

Достоинства *

F-P:

Фабри-Перо

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

PIA:

Плазмон-индуцированная абсорбция

PIT:

Плазмон-индуцированная прозрачность

Q коэффициент:

Фактор качества

SSP:

Подделка поверхностных плазмонов

TM:

Поперечный магнитный