Достижение практически идеального поглощения в графен-металлических структурах с использованием плазмонной интерференции

Аннотация

Конструктивная интерференция ярких и темных плазмонных модов приводит к эффекту плазмон-индуцированного поглощения (PIA). Здесь теоретически исследуем PIA эффект, реализованный конструктивной интерференцией между резонансом Фабри-Перо (F-P) и квази-направленным модом графена. Численное моделирование раскрывает как минимум три преимущества нашей структуры над предыдущими. Во-первых, коэффициент погашения может достигать ~99,999 %, давая ультравысокий фигуру мерита* (FOM*) до 10⁶. Во-вторых, интенсивность выраженного PIA эффекта может быть оптимизирована регулировкой расстояния связи. В-третьих, резонансная частота легко настраивается изменением уровня Ферми графена. Эта система может иметь потенциальные приложения в динамическом оптическом переключении и биохимическом сенсировании.

Введение

Плазмоника привлекла широкое внимание благодаря выдающимся свойствам и огромному потенциалу во многих областях, включая интегрированную фотонику, биосенсирование, захват энергии, фотодетекцию. Недавно замечен новый плазмонный феномен — спутниковые поверхностные плазмоны (SSPs), способные распространяться через перфорированные металлы и преодолевать дифракционный предел. SSPs изучали в ТГц, микроволновом и низкочастотном диапазонах, и предложено несколько глубоко-субдлинноволновых устройств на их основе. Однако применение таких устройств серьезно затруднено высокой скоростью затухания SPPs. Одно решение — искусственная среда плазмон-индуцированной прозрачности (PIT), имеющая резкое окно прозрачности в широком спектре поглощения. PIT эффект основывается на связи излучающего и субрадиационного элементов, широко изучаемой. Похожий феномен, плазмон-индуцированное поглощение (PIA), также недавно продемонстрирован, возникающий из конструктивной интерференции ярких и темных плазмонных модов. PIA резонанс может демонстрировать заметный эффект быстрого света, с потенциальными приложениями в оптическом переключении и обработке.

Однако традиционные устройства на основе PIA эффекта металлических структур трудно или невозможно сделать настраиваемыми, что серьезно ограничивает их применения. Графен, известный своей полуметалличностью, высокой подвижностью и высокой настраиваемостью, может быть отличным кандидатом для настраиваемых инфракрасных плазмонных устройств. В этой работе исследуем настраиваемый PIA эффект, достигаемый конструктивной интерференцией F-P резонанса и квази-направленного мода, поддерживаемого периодической серебряной желобкой и монослойным графеном соответственно. Обнаружено, что резонансная сила и ширина линии сильно зависят от расстояния связи. Также показано, что коэффициент погашения может достигать ~99,999 %. Коэффициент погашения определяется как 1-R-T, где R и T — отражаемость и проницаемость. В нашей системе T = 0, поэтому это просто 1-R. В результате в графен/металл системе можно достичь ультравысокого FOM* до 10⁶, а резонансная частота может быть динамически настроена регулировкой затворного напряжения графена. Эти выдающиеся свойства применимы в биохимическом сенсировании и динамическом оптическом переключении.

Методы

Схема нашей структуры показана на рис. 1, состоящая из монослойного графена и изолирующего слоя Al₂O₃ поверх желобчатого серебра. Толщина Al₂O₃ — g. Система освещается нормально падающей плоской волной поперечно-магнитной (TM) поляризации. Остальные структурные параметры: d — глубина серебряной желобки; w — ширина желобки; P — период элементарной ячейки. В среднем ИК диапазоне внутризонное рассеяние доминирует в сильно легированном графене, и его проводимость принимает Друде-подобную форму σ_g = ie²E_F/[πħ²(ω+iτ^-1)]. Время релаксации электронов τ = μE_F/eυ_F², где υ_F = c/300 — Ферми-скорость, E_F — Ферми-энергия, μ = 10 м²/В·с — постоянная подвижности графена. В FDTD моделировании оптические константы серебра и Al₂O₃ из реф. [33] и [34]. Периодические граничные условия для моделирования бесконечных периодических структур. Для простоты область над графеном считается вакуумом (ε₀ = 1).

Результаты и обсуждение

Промоделировали спектр отражения серебряной желобки с w = 100 нм, P = 250 нм, d = 2000 нм (рис. 2a, красная кривая). Наблюдается широкая яма при ~28 ТГц с коэффициентом погашения ~44 % и Q-фактором ~0,8, обусловленная F-P резонансом, возбужденным SSP от падающего света. Этот резонанс имеет широкий диапазон и служит суперрадиационным модом в нашей PIA системе. Затем рассчитали отражение графенового листа с металлическими граничными условиями внизу области моделирования, с уровнем Ферми E_F = 0,3 эВ (рис. 2a, синяя кривая). Спектр показывает, что графеновый плазмонный резонанс не может быть напрямую возбужден при этой частоте. Для визуализации и оптимизации плазмонного мода графена сначала смоделировали резонансные моды, поддерживаемые графеном. Чтобы исключить влияние F-P резонанса серебряной желобки, предположили, что желобка из кремния. Спектры отражения структуры рассчитаны для E_F = 0,3 эВ и разных периодов P (рис. 2b). Наблюдается яма отражения при резонансной частоте f = 32,84 ТГц для P = 250 нм с Q-фактором ~304. Высокий Q резонанс с узкой полосой служит субрадиационным (темным) модом в нашей PIA системе. Яма отражения обусловлена резонансом плазмонного квази-направленного мода в графене при нормальном падении, так как желобка компенсирует несоответствие волнового вектора на основании m-го порядка условия фазового согласования.

В ситуации связи два собственных мода сильно сцепляются при сближении, драматически меняя спектр отражения. Наблюдается узкая, суб-ширина линии яма усиленного поглощения с коэффициентом погашения ~99,97 % на вершине более широкой ямы отражения (рис. 3a). При увеличении вертикального расстояния g ближнеполевое сцепление и квази-направленный режим ослабевают, модуляция ямы отражения уменьшается. Существует два возможных пути уменьшения ямы: более слабое сцепление и более слабое возбуждение квази-направленного мода. Поэтому использовали модель связанных осцилляторов для количественного понимания PIA системы.