home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Een flexibele controle op elektromagnetisch gedrag van grafeenoligomeer door het chemische potentieel af te stemmen

Abstract

In dit werk laten we zien dat de elektromagnetische eigenschappen van grafeenoligomeer drastisch kunnen worden gewijzigd door lokale modificaties van de chemische potentialen. De chemische potentiaalvariaties van verschillende posities in grafeenoligomeer hebben verschillende effecten op zowel extinctiespectra als elektromagnetische velden. Het flexibel afstemmen van de lokalisaties van de elektromagnetische velden kan worden bereikt door de chemische potentialen van de grafeen-nanoschijven op overeenkomstige posities nauwkeurig aan te passen. De voorgestelde nanostructuren in dit werk leiden tot de praktische toepassingen van op grafeen gebaseerde plasmonische apparaten zoals nanosensing, lichtvangst en fotodetectie.

Inleiding

Onlangs is een toenemend aantal subgolflengtecomponenten en -structuren ontworpen en vervaardigd op basis van metamaterialen (MM's) die in de schijnwerpers komen te staan ​​door de veelzijdigheid van het regelen van het elektromagnetische (EM) gedrag [1]. MM's ondersteunen unieke fenomenen die in de natuur niet kunnen bestaan, waaronder negatieve brekingsindex [2], buitengewone optische transmissie [3] en elektromagnetisch geïnduceerde transparantie [4]. Vanwege de unieke eigenschappen van MM's hebben de nano-apparaten die zijn samengesteld uit MM's meer prominente voordelen dat de nano-apparaten een uitgesproken en flexibel vermogen hebben om EM-gedrag te reguleren en te beheersen, wat de ontwikkeling van nano-apparaten naar hoge kwaliteit en integreerbaarheid leidt. Plasmonische MM's zijn een soort metamaterialen die gebruik maken van oppervlakteplasmonen (SP's) om nieuwe opto-elektrische eigenschappen te bereiken [5, 6]. SP's zijn de oscillaties van vrije elektronen in metaal, afkomstig van de interactie van licht met metaal-diëlektrische materialen. Onder bepaalde omstandigheden kan de interactie van invallend licht met de oppervlakteplasmonen zelfvoorzienende, zich voortplantende elektromagnetische golven produceren die bekend staan ​​als oppervlakteplasmonpolaritonen (SPP's) die zich voortplanten langs het metaal-diëlektrische grensvlak [7]. De SPP's zijn veel korter dan invallend licht in golflengte, wat geschikt is voor nanostructuren met een subgolflengte-voetafdruk [8]. Licht dat de plasmonische MM's raakt, wordt getransformeerd in SPP's, wat leidt tot het verschijnen van sterke veldlokalisatie in deze structuren bij de resonantiefrequenties. De EM-eigenschappen van plasmonische structuren worden voornamelijk bepaald door hun geometrie, wat het mogelijk maakt om het elektrische en magnetische gedrag over een breed bereik te optimaliseren [9,10,11,12]. In de praktijk zijn elektronenbundellithografie en frezen met gefocusseerde ionenbundels twee veelgebruikte methoden om plasmonische structuren op vlakke substraten te fabriceren. Het uitstekende EM-gedrag komt voort uit de unieke kenmerken van plasmonische structuren met kenmerken die kleiner zijn dan de golflengte van licht gescheiden door subgolflengteafstanden, wat een opvallende manier onthult om toepassingen op nanoschaal te ontwerpen, zoals detectie [13], oppervlakte-versterkte spectroscopieën [14], en niet-lineaire optica [15]. De meest voorkomende plasmonische MM's zijn samengesteld uit goud en zilver die een negatieve reële permittiviteit vertonen [16]. Edelmetalen hebben echter een relatief groot ohms verlies en een lage flexibiliteit dat zodra de structuur is gefixeerd, het EM-gedrag niet verder kan worden geoptimaliseerd, wat de ontwikkeling van nanodevices op basis van plasmonische structuren beperkt [17, 18].

Grafeen is een tweedimensionaal materiaal dat bestaat uit sp 2 hybridisatie van koolstofatomen in de honingraatroosterstructuur. Vanwege het overtreffende gedrag in zowel elektronica als fotonica van grafeen, onderzoeken verschillende onderzoeksgroepen grafeen met verschillende methoden om plasmonische structuren te creëren die lagere verliezen, hogere opsluiting en afstembaarheid van de EM-velden vertonen [19,20,21,22,23] . Grafeen is in staat om SPP's te accommoderen in een groot bereik van terahertz tot mid-infrarood frequenties [24,25,26]. Grafeen heeft een groot potentieel voor het verbeteren van licht-materie-interacties in een tweedimensionaal regime vanwege SP's met sterke lichtopsluiting [27]. Grafeenoligomeren vormen plasmonische moleculen (PM's) via interacties tussen componenten, waarbij de EM-velden met sterke veldverbeteringen symmetrieën volgen die analoog zijn aan de koppeling van atomen in chemische moleculen [28]. Door het chemische potentieel van grafeen te veranderen, kunnen de grafeen-PM's een hoge kwaliteit en flexibiliteit bereiken [29]. Er zijn echter meer instelbare structuurparameters zoals het chemische potentieel van grafeen in verschillende posities voor grafeen-nanostructuren om het EM-gedrag te regelen. De meeste van de gerapporteerde grafeen-nanostructuren concentreren zich op het veranderen van het chemische potentieel van de hele structuur, wat een tekort is aan opheldering van de relatie tussen het chemische potentieel van grafeen in verschillende posities en het EM-gedrag van grafeen-nanostructuur. De voorgestelde grafeen-nanostructuren kunnen meer overtreffende EM-eigenschappen stimuleren en zullen een breed scala aan plasmonische toepassingen beïnvloeden.

Om de effectmechanismen van PM's op basis van grafeen te verifiëren, is een numeriek onderzoek naar het grafeenoligomeer bestaande uit 13 grafeennanoschijven van gelijke grootte systemisch uitgevoerd door opzettelijk het chemische potentieel van gedeeltelijk grafeen in dit werk te variëren. Het grafeenoligomeer met D12h symmetrie is in staat om twee plasmonische modi in het berekende bereik te ondersteunen. Verder gebruik van grafeenoligomeer is afhankelijk van de nauwkeurige controle van het lokale chemische potentieel van grafeen. Door selectief de chemische potentialen van grafeenoligomeer te variëren, worden de twee aangeboren plasmonische modi diepgaand gemoduleerd. Het afstemmen van het chemische potentieel van prominente grafeen-nanoschijven in respectievelijk twee plasmonische modi heeft verschillende invloed op twee plasmonische modi. De verandering van de chemische potentiaal van het snijpunt tussen de twee plasmonische modi intensiveert beide plasmonische resonanties en leidt tot degeneratie van plasmonische modi. Bovendien heeft de verandering van het chemische potentieel van de centrale grafeen-nanoschijf ook een significante invloed op de EM-eigenschappen van grafeenoligomeer. De gesimuleerde resultaten laten zien dat het grafeenoligomeer een hoge afstembaarheid en flexibiliteit heeft en nieuwe vrijheidsgraden biedt voor het ontwerpen van plasmonische nanodevices die in staat zijn om tweedimensionale lichtopsluiting aan te passen.

Gesimuleerde methoden en modellen

In ons model wordt het grafeen behandeld als één dunne film met één atoomlaagdikte ∆ en gemodelleerd door een complexe permittiviteit ε [22].

$$ \upvarepsilon =1+\frac{i{\sigma}_g{\eta}_0}{k_0\Delta}, $$ (1)

waarbij ∆ = 0.334 nm, σ g is de complexe geleidbaarheid van het oppervlak van grafeen, ŋ 0 =377 Ω staat voor de impedantie van de vrije ruimte, en k 0 = 2π /λ is het golfgetal van het licht in lucht. De complexe geleidbaarheid van het oppervlak σ g van grafeenmonolaag wordt gemodelleerd door Kubo's formulering, die bestaat uit bijdragen van zowel intraband elektron-fotonverstrooiing σ intra en interband elektron-elektron overgang σ inter [30],

$$ {\sigma}_g={\sigma}_{intra}+{\sigma}_{inter}, $$ (2)

waar

$$ {\sigma}_{intra}=\frac{2{e}^2{k}_BT}{\pi {\mathrm{\hslash}}^2}\cdot \frac{i}{\omega + i{\tau}^{-1}}\left[\ln \left(2\cosh \left(\frac{\mu_c}{k_BT}\right)\right)\right], $$ (3) $ $ {\sigma}_{inter}=\frac{e^2}{4\mathrm{\hslash}}\left[\frac{\sinh \left(\frac{\mathrm{\hslash \upomega }}{ 2{k}_BT}\right)}{\cosh \left(\frac{\mu_c}{k_BT}\right)+\cosh \left(\frac{\mathrm{\hslash \upomega }}{2{k }_BT}\right)}-\frac{i}{2\pi}\ln \frac{{\left(\mathrm{\hslash}\omega +2{\mu}_c\right)}^2}{ {\left(\mathrm{\hslash}\omega -2{\mu}_c\right)}^2+{\left(2{k}_BT\right)}^2}\right]. $$ (4)

In deze vergelijkingen is e de lading van een elektron, ℏ is de gereduceerde constante van Planck, kB is de Boltzmann-constante, T is de temperatuur ingesteld op 300 K, τ is de impulsrelaxatietijd ingesteld op 0,5 ps, ω is de radiale frequentie, en μ c is het chemische potentieel van grafeen.

We nemen grafeen-nanodisk-arrays op in een grafeenoligomeer met D12h symmetrie (Fig. 1a) om het EM-gedrag te onderzoeken. Het grafeenoligomeer bestaat uit 13 grafeen-nanoschijven van gelijke grootte, waarbij één nanoschijf in het midden is geplaatst en de andere deze met twaalfhoeksymmetrie omringen. De straal van de addendum concentrische cirkel R0 is 240 nm en de straal van individuele nanoschijven R1 is 50nm. Het grafeenoligomeer dat bestaat uit een groot aantal grafeen-nanoschijven heeft voordeel bij flexibele selecties om chemische potentialen te veranderen. Zoals getoond in Fig. 1b, is het grafeenoligomeer omgeven door lucht beschreven door een brekingsindex n1 = 1 en hecht aan een silicasubstraat met een brekingsindex n2 = 1.5. Het invallende licht is verticaal ten opzichte van grafeenoligomeer en de polarisatie is langs de y-as. Theoretisch wordt de effectieve brekingsindex van grafeen beschreven door

$$ {n}_{eff}=\frac{2i{\varepsilon}_{\mathrm{e} ff}{\varepsilon}_0c}{\sigma_g}. $$ (5)

waar ε eff is de effectieve permittiviteit van de omgevingsmedia, ε 0 is de vacuüm permittiviteit en c is de lichtsnelheid in vacuüm. Volgens de vergelijkingen (2, 3, 4 en 5) blijkt dat n eff is een functie van μ c en de relatie is uitgezet in Fig. 1c en d, wat betekent dat de resonantie van onze voorgestelde structuur op doelmatige wijze kan worden gewijzigd door het chemische potentieel van grafeen te manipuleren. Er moet op worden gewezen dat |Im (n eff )|/|Re (n eff )| is beduidend klein. Dus het echte deel van neff hebben voornamelijk invloed op de berekeningsresultaten en het denkbeeldige deel van neff heeft weinig effect op ons model met veranderende chemische potentiaal. We verwaarlozen daarom het effect van het imaginaire deel van neff in deze studie.

een Het schematische diagram van het grafeenoligomeer met symmetrie D12h bestaande uit 13 identieke grafeenschijven. b Het simulatiemodel van grafeenoligomeer. Het grafeenoligomeer wordt op het silicasubstraat geplaatst met n2 = 1.5 en is omgeven door lucht met n1 = 1. c , d Het reële en imaginaire deel van n eff met het chemische potentieel van grafeen variërend van 0,4 tot 0,8 eV

De elektrische velden en extinctiespectra van grafeenoligomeer worden berekend in de commerciële eindige-elementenmethode (FEM) -software, COMSOL Multi-Physics, RF-module. De uitstervingsdoorsnede σ ext wordt verkregen als σ ext = σ sc + σ abs , waar σ sc komt overeen met de verstrooiingsdoorsnede

$$ {\sigma}_{sc}=\frac{1}{I_0}\int \int \left(\overrightarrow{n}\cdot \overrightarrow{S_{sc}}\right) dS, $$ (6 )

en de absorptiedoorsnede σ abs , wordt bepaald door

$$ {\sigma}_{abs}=\frac{1}{I_0}\int \int \int \kern0.5em QdV. $$ (7)

In deze vergelijkingen, I0 is de intensiteit van het incident. \( \overrightarrow{n} \) staat voor de normaalvector die vanaf het plasmonische nanocluster naar buiten wijst, \( \overrightarrow{S_{SC}} \) geeft de Poynting-vector voor het verstrooide veld aan. De integraal in vergelijking (6) wordt over het gesloten oppervlak van de verstrooiing genomen. Q is de vermogensverliesdichtheid in het oligomeer. De integraal in vergelijking (7) wordt over zijn volume genomen. De extinctiespectra worden berekend in het geselecteerde golflengtebereik van midden-infrarood. De Perfectly Matched Layer (PML) wordt aangebracht rond de voorgestelde nanostructuur om de gereflecteerde lichtvelden te vermijden. De dikte van het grafeen is in ten minste vijf lagen gemaasd om de nauwkeurigheid van de simulatie te garanderen.

Simulatieresultaten en discussies

Het effect van lokale chemische potentiaalverandering van grafeen-nanoschijven in plasmonische modi

Voor de voorgestelde structuur vertonen de extinctiespectra (Fig. 2) twee prominente resonanties geassocieerd met de excitatie van plasmonen in het grafeenoligomeer. Het grafeenoligomeer kan twee plasmonische modi ondersteunen, die beide gevoelig zijn voor de chemische potentiaal van grafeen μ c . Door μ . te variëren c van het hele grafeenoligomeer van 0,4 eV tot 0,6 eV, worden beide plasmonische resonanties intens en verplaatsen de posities tegelijkertijd naar een hoger frequentiebereik. De duidelijke verbetering van de absorptie in grafeenoligomeer wordt toegeschreven aan de bevordering van de dragerdichtheid met toenemende μ c , die een optische kloof creëert waar plasmonen voorkomen dat ze worden geblust door koppeling aan elektronen-gatparen (Landau-demping). De toename van virtuele elektron-gat-paarovergangen die is toegestaan, geeft aanleiding tot de significante interactie van coherent gekoppelde grafeen-nanoschijven die het extinctiemaximum intensiveren [21]. We kiezen het extinctiespectrum met μ c = 0.5eV als de maatstaf en de twee pieken aangeduid met A0 en B0 vertegenwoordigen twee verschillende plasmonische modi en de bijbehorende elektrische velden worden weergegeven in figuur 2b. Sterk geconcentreerde elektrische velden verschijnen als de elektromagnetische hotspot op nanoschaal en leiden tot verbetering van de extinctie. Voor piek A0 , concentreren de hotspots zich voornamelijk op de acht nanoschijven aan de boven- en onderkant, en vooral op de vier nanoschijven op de hoogste en laagste posities in de nanostructuur. Voor piek B0 , concentreren de hotspots zich voornamelijk op de acht nanoschijven aan de linker- en rechterkant, en de helderste vier nanoschijven bevinden zich op de meest linkse en rechtse posities in de nanostructuur, die loodrecht staat op de piekmodus A0 . Gebaseerd op de verschillende elektrische veldverdelingen van piek A0 en B0 , we definiëren de piekmodus A0 als Y-modus en de modus van piek B0 als X-modus voor een duidelijke uitdrukking. De vier helderste grafeen-nanoschijven in Y-modus zijn extreem donker in X-modus en vice versa. Nog eens vier grafeen-nanoschijven die zijn samengesteld uit een vierkant, zijn relatief helder, zowel in de Y-modus als in de X-modus, gedefinieerd als het snijpunt. We verdelen de perifere grafeen nanodisks in drie delen met verschillende chemische potentialen μ c 1 , μ c 2 en μ c 3 respectievelijk (getoond in Fig. 3a en b). De nanoschijven met μ c 2 of μ c 3 zijn het helderste deel in Y-modus of X-modus. De chemische potentiaal van snijpunt en middelpunt μ c 1 houdt 0,5 eV in de volgende berekening. In eerste instantie, μ c 2 neemt toe tot 0,6 eV en anderen behouden 0,5 eV (getoond in Fig. 3a). Dan μ c 3 neemt toe tot 0,6 eV en anderen behouden 0,5 eV (getoond in Fig. 3b). Door μ . te wijzigen c 2 of μ c 3 tot respectievelijk 0,6 eV verschijnt een reeks spectrale variaties zichtbaar in figuur 3c. We kunnen zien dat door het chemische potentieel van sectionele grafeen-nanoschijven te veranderen en de andere parameters constant te laten, een flexibele herconfiguratie van de algehele spectrale vorm wordt verkregen, wat zich manifesteert door een systematische verandering in de hoogte van twee resonantiepieken. In figuur 3d zijn de elektrische velden van de variant Y-modus en X-modus in detail uitgezet. Zoals getoond in Fig. 1c, is het reële deel van neff is omgekeerd evenredig met de chemische potentiaal. Daarbij, wanneer de chemische potentiaal toeneemt, wordt de opsluiting van het invallende licht zwak. Het mechanisme van lokale chemische potentiaalverandering in grafeenoligomeer is dat de toename van het chemische potentieel de interactie tussen licht en de grafeennanoschijven vermindert en de hotspots naar de omliggende nanoschijven duwt. Als de oriëntatie van het duwen op de locatie van sterke plasmonische resonantie is, wordt de resonantie opvallend versterkt, anders wordt deze verminderd. Dit betekent dat het effect van lokale chemische potentiaalverandering afhankelijk is van de elektrische veldverdelingen van verschillende modi. Wanneer μ c 2 neemt toe tot 0,6 eV, piek A0 neemt aanzienlijk af en roodverschuiving naar piek A1 vanwege de zwakke opsluiting van de vier helderste grafeen-nanoschijven voor het invallende licht, waarbij de hotspots zich voornamelijk concentreren op het snijpunt. Tegelijkertijd piek B0 aanzienlijk toenemen en blauw verschuiven naar piek B1 , wat wordt toegeschreven aan het feit dat de toename van μ c 2 de X-modus voldoende verbeteren. Voor μ c 3 =0,6 eV, het is andersom. Piek A0 neemt iets toe en rood verschuift naar piek A2 voortkomend uit de verbetering van de Y-modus met μ c 3 toenemend. In de tussentijd piek B0 blauw verschuift naar piek B2 en neemt af met de concentratie van hotspots op het snijpunt, wat in overeenstemming is met piek A1 .

een De uitstervingsspectra van grafeenoligomeer met een chemisch potentieel variërend van 0,4 tot 0,6 eV. b De gesimuleerde elektrische velden (|E|) bij de twee resonantiepieken

een , b Schematische illustratie van selectieve grafeen-nanoschijven met verschillende chemische potentiaalveranderingen in grafeenoligomeer. c De uitstervingsspectra met verschillende chemische potentialen. d Het gesimuleerde elektrische veld (|E|) bij de resonantiepieken A0 , A1 en A2 , B0 , B1 en B2

Deze variaties van de Y-modus en X-modus geven aanleiding tot de daling of verbetering van de extinctiespectra. Een flexibele controle over de extinctiecurven wordt bereikt door het EM-gedrag van de Y-modus en X-modus aan te passen die voortkomen uit het selectief toevoegen van de chemische potentialen van grafeen-nanoschijven, wat een nieuwe weg opent voor het ontwerpen van grafeen-nanoapparaten met verschillende functies. Bijvoorbeeld, wanneer μ c 2 = 0.6eV, piek A0 lager worden terwijl piek B0 aanzienlijk intensiveert, wat het grafeenoligomeer geschikt maakt voor zeer efficiënte absorbers. Op de andere manier, wanneer μ c 3 =0.6eV, de waarden van twee pieken naderen dicht, wat handig is om dual-band nanosensoren te ontwerpen.

De modusverbetering door het chemische potentieel van het intersectiegedeelte te vergroten

Voor de elektromagnetische velden van twee plasmonische modi verschijnt een intersectiedeel bestaande uit vier grafeen-nanoschijven tussen twee plasmonische modi. Zoals getoond in Fig. 3d, concentreren de elektrische velden zich voornamelijk op de vier grafeen-nanoschijven in het snijpunt door lokaal de chemische potentiaal te veranderen. We zijn dus van mening dat het chemische potentieel van het snijpuntgedeelte de EM-kenmerken van grafeenoligomeer en het profiel van uitstervingsspectra aanzienlijk beïnvloedt. We herverdelen de chemische potentialen in grafeenoligomeer. Het chemische potentieel van vier grafeen-nanoschijven in het snijpuntgedeelte is ingesteld als μ c 2 . Het chemische potentieel van andere nanoschijven μ c 1 blijft op 0,5 eV (getoond in Fig. 4a). Op basis van de mechanismen van lokale chemische potentiaalverandering, intensiveert het toenemende chemische potentieel van het snijpunt zowel de Y-modus als de X-modus. Zoals getoond in Fig. 4b, met toenemende μ c 2 , wordt het extinctiespectrum drastisch gewijzigd. Wanneer μ c 2 stijgt tot 0,6 eV, beide resonantiepieken hebben een promotie in vergelijking met μ c 2 =0,5 eV. Opgemerkt wordt dat er een nieuwe resonantiepiek verschijnt rond de resonantiepiek van de Y-modus. Wanneer de μ c 2 verder toeneemt tot 0,7 eV, worden de twee resonantiepieken sterker en verschijnt er duidelijk een nieuwe resonantiepiek rond de resonantiepiek van de Y-modus. De verklaring van sterke versterking van resonantiepieken is dat de toename van μ c 2 intensiveert efficiënt zowel de Y-modus als de X-modus. De toename van μ c 2 vergemakkelijkt de plasmonische oscillaties van vier grafeen-nanoschijven in respectievelijk Y-modus en X-modus. De resonantiepiek van de Y-modus die in twee resonantiepieken wordt gesplitst, is een proces van degeneratie. Zoals getoond in figuur 4c, hebben de twee resonantiepieken gelabeld met I en II dezelfde elektrische velden, maar de componenten van het elektrische veld zijn verschillend. De richtingen van Ey van piek I en II staan ​​loodrecht op elkaar, wat twee plasmonische modi vertegenwoordigen die degenereren van Y-modus. De twee nieuwe plasmonische modi fuseren oorspronkelijk in Y-modus, en de twee modi beginnen te scheiden met μ c 2 toenemend. Bovendien, beide twee gedegenereerde resonantiepieken met μ c 2 = 0.6eV zijn veel groter dan de resonantiepiek met μ c 2 = 0.5eV. Op een dergelijke manier kan men, door de grafeen-nanoschijven van het snijpuntgedeelte te kiezen om hun chemische potentieel te vergroten, alle resonantiepieken in uitstervingsspectra verbeteren. Er wordt voorgesteld om de absorptie van grafeen-nanoschijven te verbeteren door selectief de chemische potentialen van adaptieve grafeen-nanoschijven te veranderen, wat helpt bij het ontwerpen van plasmonische nano-apparaten die in staat zijn tot lichtabsorptie met hoge efficiëntie.

een Schematische illustratie van selectieve grafeen-nanoschijven met verschillende chemische potentialen om het chemische potentieel van het snijpunt te veranderen. b De extinctiespectra met toenemende chemische potentiaal van het snijpunt van 0,5 eV tot 0,7 eV. c De elektrische velden (|E|) en de elektrische velden van y component (Ey) bij de resonantiepieken I en II

Het effect van chemisch potentieel van centrale nanoschijf

De centrale grafeen-nanoschijven die in het grafeenoligomeer worden geïntroduceerd, zijn bedoeld om de nanostructuren meer flexibiliteit te geven en het effect van lokale chemische verandering in verschillende posities verder te onderzoeken. Vanwege de grote afstand tussen de centrale grafeen-nanoschijf en de perifere grafeen-nanoschijven, kan de centrale grafeen-nanoschijf niet koppelen met de andere grafeen-nanoschijven in twee plasmonische modi. In deze sectie stellen we het chemische potentieel van de centrale grafeen-nanoschijf in als μ c 2 . Anderen zijn ingesteld als μ c 1 met 0,5 eV (getoond in Fig. 5a). Het chemische potentieel van de centrale grafeen-nanoschijf veranderen μ c 2 kan EM-velden van het grafeenoligomeer wijzigen zonder de geometrie te veranderen. De resultaten door μ . te vergroten c 2 worden getoond in Fig. 5b en c. De toename van μ c 2 verbetert de plasmonische oscillaties van centrale grafeen-nanoschijven. Wanneer echter een verhoging van μ c 2 relatief klein is, is de oscillatorsterkte van de centrale grafeen-nanoschijf niet voldoende om de nieuwe plasmonische modus te ondersteunen en de intrinsieke modi te beïnvloeden, dus het uitstervingsspectrum μ c 2 = 0.6eV heeft bijna geen verandering vergeleken met μ c 2 = 0.5eV, waar nog steeds twee resonantiepieken verschijnen (getoond in Fig. 5b). Wanneer μ c 2 een grote waarde bereikt (0,8 eV), verschijnt er duidelijk een nieuwe resonantiepiek in het extinctiespectrum (getoond in figuur 5c). De enorme verbetering van plasmonische oscillaties verandert het profiel van het uitstervingsspectrum ingrijpend. De nieuwe resonantiepiek komt voort uit de sterke interactie tussen het invallende licht en de centrale grafeen-nanoschijf, waarvan de EM-velden zich voornamelijk concentreren op de centrale grafeen-nanoschijf, die wordt gedefinieerd als de centrale modus. De door de centrale modus ondersteunde resonantiepiek is veel groter dan twee intrinsieke resonantiepieken, terwijl de twee intrinsieke resonantiepieken drastisch worden onderdrukt en zelfs in het extinctiespectrum verdwijnen. Het effect van μ c 2 is anders dan het eerder besproken effect, omdat de centrale grafeen-nanoschijf niet aanwezig is in de aangeboren plasmonische modi. Het effect van μ c 2 bestaat uit het veranderen van het chemische potentieel van het hele grafeenoligomeer dat in het begin wordt besproken. Op zo'n manier, door μ . te vergroten c 2 , kan men het nieuwe plasmonische apparaat ontwerpen dat invallend licht efficiënt kan absorberen. In combinatie met bovengenoemde onderzoeken kan de flexibele afstemming van de lokalisaties van het elektromagnetische veld worden bereikt door de chemische potentialen van de grafeen-nanoschijf in verschillende posities nauwkeurig aan te passen.

een Schematische illustratie van selectieve grafeen-nanoschijven met verschillende chemische potentialen om het chemische potentieel van de centrale grafeen-nanoschijf te veranderen. b De uitstervingsspectra van grafeenoligomeer met het chemische potentieel van centrale grafeen-nanoschijf μ c 2 = 0.5eV en μ c 2 = 0.6eV. c Het uitstervingsspectrum van grafeenoligomeer met het chemische potentieel van centrale grafeen-nanoschijf μ c 2 = 0,8eV. De inzet toont de elektrische velden (|E|) bij de resonantiepiek

In de praktijk wordt eerst een continue atomaire enkellaags grafeen gekweekt met behulp van een geoptimaliseerde chemische dampdepositiemethode met CH4 als koolstofbron. Vervolgens wordt bepaald dat grafeenfilm monolaag is door Raman-metingen. De elektronenstraallithografie met poly (methylmethacrylaat) (PMMA) als een elektronenstraalresist wordt gebruikt om de grafeenfilm te modelleren om de voorgestelde nanostructuren te produceren, en het blootgestelde gebied wordt weggeëtst door het zuurstofplasma, waardoor het patroon van grafeen beschermd blijft door een PMMA-laag met daaropvolgende lift-off met behulp van aceton. Dan is het apparaat klaar om getest te worden. De chemische potentiaal kan worden afgestemd via het manipuleren van chemische en elektrostatische doping. Voor chemische doping kan lokale chemische potentiaalverandering worden gerealiseerd door de vereiste grafeen-nanoschijven bloot te stellen aan HNO3 damp en tegelijkertijd het contact tussen andere grafeen-nanoschijven en HNO3 . voorkomen damp. Voor elektrostatische doping kan een geschikte topgate-configuratie het chemische potentieel van grafeen lokaal manipuleren door topgate-spanning te leveren.

Conclusies

Concluderend hebben we de veelzijdigheid van het grafeenoligomeer aangetoond om het EM-gedrag en de spectrale lijnvorm te wijzigen door het chemische potentieel van grafeen op nanoschaal te variëren. De kenmerken zijn samengevat uit de elektrische velden en uitdovingsspectra van de verschillende chemische potentialen. Ten eerste, door het chemische potentieel van twee grafeen-nanoschijven in respectievelijk Y-modus en X-modus te veranderen, verschijnt een flexibele variatie van twee resonantiepieken in extinctiespectra. De twee resonantiepieken kunnen worden verbeterd of verminderd door de verschillende chemische potentialen van grafeenoligomeer te veranderen. Ten tweede intensiveert het vergroten van de chemische potentiaal van het snijpunt de beide resonantiepieken en geeft aanleiding tot degeneratie van de Y-modus. Ten derde kan het hoge chemische potentieel van de centrale grafeen-nanoschijf een sterke resonantiepiek ondersteunen en tegelijkertijd twee aangeboren resonantiepieken in bedwang houden. De afhankelijkheid van het grafeenoligomeer van chemisch potentieel suggereert dat men het EM-gedrag van de grafeennanostructuur met chemisch potentieel kan wijzigen zonder de geometrie te wijzigen. De eerdere studies op basis van grafeen-nanostructuren kunnen slechts één absorptiepiek veranderen door het chemische potentieel van het hele grafeen [19,20,21,22,23] te veranderen, maar de methode om het chemische potentieel van grafeen in dit artikel te veranderen, kan de spectra afstemmen met extra flexibiliteit, die meer overtreffende EM-fenomenen naar voren brengt. Op het gebied van praktische toepassingen bieden onze studies een nieuwe mate van vrijheid voor het modificeren van de grafeenplasmonics door het chemische potentieel van de grafeennanostructuren af ​​te stemmen. De grafeen-nanostructuren bieden een gemakkelijk platform om het EM-gedrag met licht in twee dimensies te cultiveren, wat de weg vrijmaakt voor het ontwerp van op grafeen gebaseerde plasmonische nano-apparaten voor nanosensing, lichtvangst en fotodetectie.

Afkortingen

EM:

Elektromagnetisch

MM's:

Metamaterialen

PML:

Perfect op elkaar afgestemde laag

PM's:

Plasmonische moleculen

SPP's:

Oppervlakte plasmon polaritonen

SP's:

Oppervlakteplasmonen


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Cisco IoT zorgt voor betrouwbaarheid met flexibele, altijd beschikbare controle voor nutsbedrijven
    2. Grafeen zet nanomaterialen op hun plaats
    3. Grafeen in luidsprekers en oortelefoons
    4. Plasmonische nanodeeltjes
    5. Nano grafeem, op silicium gebaseerd flexibel transparant geheugen
    6. Grafeen nanolint
    7. Hoogrendement grafeen zonnecellen
    8. Dubbele niet-lineariteitsregeling van modus- en dispersie-eigenschappen in grafeen-diëlektrische plasmonische golfgeleider
    9. Flexibele supercondensatoren gebaseerd op polyaniline arrays gecoate grafeen aerogel elektroden
    10. Evaluatie van grafeen/WO3 en grafeen/CeO x-structuren als elektroden voor supercondensatortoepassingen
    11. Basisprincipes van PID-regeling en lusafstemming