Эффективная ближняя ИК оптическая модуляция через графеновый межзоновый переход, связанный с магнитным резонансом метаматериала

Аннотация

Проектирование мощных электромагнитных волн модуляторов необходимо для продвижения оптической коммуникационной технологии. В этой работе мы изучаем, как эффективно модулировать амплитуду электромагнитных волн в ближнем инфракрасном диапазоне, через взаимодействия между межзоновым переходом графена и магнитным дипольным резонансом в метаматериалах. Спектры отражения метаматериалов могут быть значительно снижены в диапазоне длин волн ниже межзонового перехода, потому что усиленные электромагнитные поля от магнитного дипольного резонанса сильно увеличивают поглощение света в графене. Максимальная глубина модуляции спектров отражения может достигать около 40% близко к длине волны резонанса магнитного диполя, для приближения межзонового перехода к магнитному дипольному резонансу, когда внешнее напряжение приложено для изменения Ферми-энергии графена.

Введение

Динамическое управление спектральными свойствами электромагнитных волн внешними стимулами, такими как механическая сила, изменение температуры, электрическое напряжение и лазерный луч, привлекает растущий интерес из-за множества приложений в областях голографической дисплейной технологии, высокопроизводительного сенсинга и оптических коммуникаций. В последние годы значительные усилия были сделаны для активного управления пропусканием, отражением или поглощением спектров электромагнитных волн, основанного на электрически настраиваемой поверхностной проводимости графена, в очень широком частотном диапазоне, включая микроволны, терагерцы (ТГц), инфракрасный и видимый режимы. Такое графен-базированное активное манипулирование электромагнитными волнами под внешним электрическим стимулом без перестройки связанных структур целится на эффективную модуляцию амплитуды, фазы и поляризации электромагнитных волн. Три вида электромагнитных волн модуляторов наиболее важны для обработки сигналов в свободно-пространственных оптических коммуникациях. В дальнем инфракрасном и ТГц режиме поверхностная проводимость графена состоит только из вклада внутризонового, и графен имеет эффективную диэлектрическую функцию, которую можно описать стандартной Друдевой моделью. Поэтому на низких частотах, очень похоже на благородные металлы (например, Ag и Au), наноструктурированный графен также способен поддерживать локализованные или делокализованные поверхностные плазмонные резонансы с большим электромагнитным полевым усилением, что широко использовалось для усиления свет-вещество взаимодействий для эффективной модуляции электромагнитных волн. Например, в 2012 году Sensale-Rodriguez с соавт. теоретически представили модуляторы отражения с отличной производительностью на ТГц частоте, используя плазмонные эффекты в графеновых микроленточках. В видимом и ближнем инфракрасном режиме межзоновый вклад доминирует в поверхностной проводимости графена, чья комплексная диэлектрическая проницаемость имеет вещественную часть положительного значения. Так что на более высоких частотах графен сам больше не поддерживает поверхностные плазмонные резонансы, а ведет себя больше как ультратонкая диэлектрическая пленка при взаимодействии со светом. В этой ситуации различные высококачественные резонансные моды, поддерживаемые в других наноструктурированных материалах, часто исследуются для электрической модуляции электромагнитных волн с помощью гейт-контролируемой Ферми-энергии графена. Например, Ю с соавт. теоретически изучали амплитудную модуляцию видимого света с графеном, используя Фабри-Перо интерференцию, Мие моды в диэлектрических наносферах с высоким рефрактивным индексом и поверхностные решетчатые резонансы в периодическом массиве металлических наночастиц. В последнее десятилетие магнитный резонанс в метаматериалах изучался широко и интенсивно для достижения идеальных поглотителей электромагнитных волн. Однако до сих пор есть только несколько исследований об оптических модуляторах, основанных на магнитном резонансе в метаматериалах с вставленным графеновым монослоем.

Мы предложим эффективный метод модуляции спектров отражения электромагнитных волн в ближнем инфракрасном диапазоне, связывая межзоновый переход графена с магнитным дипольным резонансом в метаматериалах. Обнаружено, что спектры отражения метаматериалов могут быть в значительной степени снижены в диапазоне длины волны ниже межзонового перехода графена, потому что усиленные электромагнитные поля от магнитного дипольного резонанса сильно увеличивают поглощение света в графене. Максимальная глубина модуляции амплитуды отражения может достигать около 40% близко к длине волны резонанса магнитного диполя, для межзонового перехода быть близким к магнитному дипольному резонансу, когда внешнее напряжение приложено для изменения Ферми-энергии графена.

Методы

Мы схематично показываем на Рис. 1 строительный блок исследуемых метаматериалов для эффективной модуляции отражения в ближнем инфракрасном диапазоне, через взаимодействия между магнитным дипольным резонансом и межзоновым переходом графена. Мы проводим численные расчеты коммерческим программным пакетом «EastFDTD». Кремнеземный слой имеет рефрактивный индекс 1,45, а серебряные нанополоски и подложка имеют экспериментальную диэлектрическую функцию. Графен имеет относительную диэлектрическую проницаемость, вычисленную по следующей формуле: уравнение для σ_intra, σ_inter, σ и ε_g, где σ_intra и σ_inter — внутризоновый и межзоновый члены поверхностной проводимости графена, τ — время релаксации электрона-фонона, E_f — Ферми-энергия, и t_g — толщина графена. Исследуемые метаматериалы могут быть реализованы в эксперименте с помощью передовых нанофарбикационных технологий. Во-первых, серебряная подложка и кремнеземный слой готовятся термическим испарением. Затем монослойный графен наносится на кремнеземную поверхность через химическое осаждение из паровой фазы. Наконец, периодический массив серебряных нанополосок фарбикуется электронно-лучевой литографией.

Результаты и обсуждение

Сначала обсуждаем спектры отражения метаматериалов без графена, как показано черной линией и квадратами на Рис. 2a. Широкий отражательный провал при 1210 нм наблюдается, который связан с магнитным диполем. Когда графен вставлен в метаматериалы, отражение в значительной степени снижается для длин волн меньше 1150 нм (позиция межзонового перехода в графене), как показано красной линией и кругами на Рис. 2a. Причина в том, что усиленные электромагнитные поля от резонансного возбуждения магнитного диполя огромно увеличивают поглощение света графеном. Соответственно, графен-индуцированная глубина модуляции спектров отражения постепенно увеличивается от ~11 до 28%, когда длина волны света увеличивается от 1000 нм до позиции межзонового перехода, как показано на Рис. 2b. Глубина модуляции обычно определяется как (R - R₀)/R₀, где R и R₀ — спектры отражения с и без вставленного графена в метаматериалы.

Для демонстрации, что широкий отражательный провал релевантен магнитному диполю, на Рис. 3 мы строим электромагнитные поля на xoz плоскости на длине волны 1210 нм. Электрические поля в основном распределены вокруг краев серебряных нанополосок, а магнитные поля в значительной степени локализованы в кремнеземной области под серебряными нанополосками. Распределение поля — типичное свойство магнитного дипольного резонанса. Между серебряной подложкой и индивидуальной нанополоской плазмонная ближнеполевная гибридизация производит антипараллельные токи, как указано двумя черными стрелками на Рис. 3b. Антипараллельные токи могут индуцировать магнитный момент M, противодействующий падающему магнитному полю для формирования магнитного дипольного резонанса. Резонансная длина волны сильно зависит от ширины w серебряных нанополосок, которая будет иметь очевидный красный сдвиг при увеличении w.

Позиция межзонового перехода может быть удобно настроена, когда внешнее напряжение приложено для изменения Ферми-энергии E_f. Настройка позиции межзонового перехода очень полезна для эффективного управления спектрами отражения. Для E_f увеличения от 0,46 до 0,58 эВ межзоновый переход быстро синеет, как показано открытыми кругами на Рис. 4a. Одновременно отражение заметно снижается в диапазоне длины волны ниже межзонового перехода. Близко к длине волны резонанса магнитного диполя отражение снижается до минимума около 0,55, когда межзоновый переход настраивается постепенно через широкополосный магнитный диполь. Рис. 4b показывает графен-индуцированный отражательный модуляционный эффект для разных E_f. С уменьшением 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 сдвига межзонового перехода при уменьшении E_f. Однако в диапазоне длин волн выше межзонового перехода спектры отражения не модулируются по сравнению с случаем без графена, и так глубина модуляции почти нуль.

Межзоновый переход тесно связан с Ферми-энергией E_f, которая может быть полностью проявлена как острый спектральный признак в диэлектрической проницаемости ε_g графена. На Рис. 5 мы даем вещественные и мнимые части ε_g для разных E_f. Для каждого E_f существует узкий пик в вещественной части ε_g, и соответствующий резкий спад появляется в мнимой части ε_g. С уменьшением E_f такой острый спектральный признак очевидно краснеет. В диапазоне длины волн справа от резкого спада мнимая часть ε_g очень мала. Именно поэтому спектры отражения не модулируются для длин волн выше межзонового перехода. Зависимость позиции межзонового перехода от Ферми-энергии E_f показана на Рис. 6. Мы четко видим, что позиции пиков вещественной части ε_g в отличном согласии с теми, указанными открытыми кругами на Рис. 4a.

Заключение

Мы численно продемонстрировали метод эффективной модуляции спектров отражения электромагнитных волн в ближнем инфракрасном диапазоне, связывая межзоновый переход графена с магнитным дипольным резонансом в метаматериалах. Обнаружено, что спектры отражения могут быть в значительной степени снижены в диапазоне длины волны ниже межзонового перехода графена, потому что усиленные электромагнитные поля от магнитного дипольного резонанса сильно увеличивают поглощение света в графене. Максимальная глубина модуляции спектров отражения может достигать около 40% близко к длине волны резонанса магнитного диполя, для межзонового перехода быть близким к магнитному дипольному резонансу, когда внешнее напряжение приложено для изменения Ферми-энергии графена. Эффект модуляции отражения, представленный в этой работе, может найти потенциальные приложения в оптических коммуникационных системах.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.