Efficiënte optische reflectiemodulatie door interbandovergang van grafeen te koppelen aan magnetische resonantie in metamaterialen

Abstract

Het ontwerpen van krachtige elektromagnetische golfmodulatoren is vereist voor de vooruitgang van optische communicatietechnologie. In dit werk bestuderen we hoe we de amplitude van elektromagnetische golven in het nabij-infraroodgebied efficiënt kunnen moduleren door de interacties tussen de interbandovergang van grafeen en de magnetische dipoolresonantie in metamaterialen. De reflectiespectra van metamaterialen kunnen aanzienlijk worden verminderd in het golflengtebereik onder de interbandovergang, omdat de verbeterde elektromagnetische velden van de magnetische dipoolresonantie de lichtabsorptie in grafeen aanzienlijk vergroten. De maximale modulatiediepte van reflectiespectra kan oplopen tot ongeveer 40% in de buurt van de resonantiegolflengte van magnetische dipool, voor de interbandovergang om de magnetische dipoolresonantie te benaderen, wanneer een externe spanning wordt toegepast om de Fermi-energie van grafeen te veranderen.

Achtergrond

Dynamisch regelen van de spectrale eigenschappen van elektromagnetische golven door externe stimuli zoals mechanische kracht, temperatuurverandering, elektrische spanning en laserstraal [1,2,3,4] krijgt steeds meer belangstelling vanwege vele toepassingen op het gebied van holografische weergave technologie, hoogwaardige detectie en optische communicatie. De afgelopen jaren is er veel moeite gedaan om de transmissie-, reflectie- of absorptiespectra van elektromagnetische golven actief te manipuleren, gebaseerd op elektrisch afstembare oppervlaktegeleiding van grafeen, in een zeer breed frequentiebereik inclusief microgolf [5, 6] , terahertz (THz) [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], infrarood [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] en zichtbaar regime [66,67,68,69]. Dergelijke op grafeen gebaseerde actieve manipulatie van elektromagnetische golven staat onder externe elektrische prikkels zonder het opnieuw opbouwen van gerelateerde structuren, die tot doel heeft de amplitude efficiënt te moduleren [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, 53,4,55,56,57, 66,67,68,69,70,71,72], fase [6, 22,23,24,25,26,27,28, 58,59,60,61 ,62], en polarisatie [29,30,31,32,33, 63,64,65] van elektromagnetische golven. De drie soorten elektromagnetische golfmodulatoren zijn de belangrijkste voor signaalverwerking in optische communicatie in de vrije ruimte [1,2,3,4]. In het verre-infrarood- en THz-regime omvat de oppervlaktegeleiding van grafeen alleen de bijdrage van intraband, en grafeen heeft een effectieve diëlektrische functie die kan worden beschreven met het standaard Drude-model [27]. Daarom is nanogestructureerd grafeen bij lagere frequenties, vergelijkbaar met edele metalen (bijv. Ag en Au), ook in staat om gelokaliseerde of gedelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties [73] te ondersteunen met een grote verbetering van het elektromagnetische veld, dat op grote schaal is gebruikt om licht te versterken. Mater interacties voor efficiënte modulatie van elektromagnetische golven. In 2012 bijvoorbeeld, Sensale-Rodriguez et al. theoretisch gepresenteerde reflectiemodulatoren met een uitstekende prestatie bij THz-frequentie, door gebruik te maken van plasmonische effecten in micro-linten van grafeen [9]. In het zichtbare en nabij-infrarode regime domineert de interbandbijdrage de oppervlaktegeleiding van grafeen, waarvan de complexe permittiviteit een reëel deel van positieve waarde heeft. Dus bij hogere frequenties ondersteunt grafeen zelf niet langer oppervlakteplasmonresonanties, maar gedraagt het zich meer als een ultradunne diëlektrische film wanneer het in wisselwerking staat met licht. In deze situatie worden vaak verschillende hoogwaardige resonantiemodi die worden ondersteund in andere nanogestructureerde materialen onderzocht om elektromagnetische golven elektrisch te moduleren, met behulp van de gate-gestuurde Fermi-energie van grafeen. Yu et al. bestudeerde in theorie de amplitudemodulatie van zichtbaar licht met grafeen, door gebruik te maken van Fabry-Perot-interferentie, Mie-modi in diëlektrische nanosferen met een hoge brekingsindex en oppervlakteroosterresonanties in een periodieke reeks metalen nanodeeltjes [67]. In het afgelopen decennium is magnetische resonantie in metamaterialen uitgebreid en intensief bestudeerd om perfecte absorbers van elektromagnetische golven te bereiken [74,75,76,77,78]. Tot nu toe zijn er echter slechts enkele onderzoeken naar optische modulatoren die zijn gebaseerd op magnetische resonantie in metamaterialen met een ingevoegde grafeenmonolaag [34].

We zullen een efficiënte methode voorstellen om de reflectiespectra van elektromagnetische golven in het nabij-infraroodgebied te moduleren, door de interbandovergang van grafeen te koppelen aan de magnetische dipoolresonantie in metamaterialen. Het is gebleken dat de reflectiespectra van metamaterialen grotendeels kunnen worden verminderd in het golflengtebereik onder de interbandovergang van grafeen, omdat de versterkte elektromagnetische velden van de magnetische dipoolresonantie de lichtabsorptie in grafeen aanzienlijk vergroten. De maximale modulatiediepte van reflectieamplitude kan oplopen tot ongeveer 40% nabij de resonantiegolflengte van magnetische dipool, zodat de interbandovergang dicht bij de magnetische dipoolresonantie ligt, wanneer een externe spanning wordt toegepast om de Fermi-energie van grafeen te veranderen. P>

Methoden

We tonen schematisch in Fig. 1 de bouwsteen van onderzochte metamaterialen voor efficiënte reflectiemodulatie in het nabij-infraroodgebied, door de interacties tussen de magnetische dipoolresonantie en de interbandovergang van grafeen. We voeren numerieke berekeningen uit met het commerciële softwarepakket "EastFDTD" [79, 80]. De silicalaag heeft een brekingsindex van 1,45 en de zilveren nanostrips en het substraat hebben een experimentele diëlektrische functie [81]. Het grafeen heeft een relatieve permittiviteit berekend met de volgende formule [82]:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}{\sigma}_{\mathrm{intra}}=\frac{i{e}^2{k}_BT}{\pi {\hslash}^2\ left(\omega +i/\tau \right)}\left(\frac{E_f}{k_BT}+2\ln \left({e}^{-\frac{E_f}{k_BT}}+1\right )\right)\\ {}{\sigma}_{\mathrm{inter}}=\frac{i{e}^2}{4\pi \mathit{\hslash}}\ln \left(\frac{ 2{E}_f-\left(\omega +i/\tau \right)\hslash }{2{E}_f+\left(\omega +i/\tau \right)\hslash}\right)\\ { }\sigma ={\sigma}_{i\mathrm{ntra}}+{\sigma}_{\mathrm{inter}}\\ {}{\varepsilon}_g=1+ i\sigma /\left({ \varepsilon}_0\omega {t}_g\right),\end{array}} $$

Schema van de bouwsteen van metamaterialen. Geometrische parameters:de periode p _x langs de x -asrichting, de dikte t van de silica spacer, de breedte w , en de hoogte h van de zilveren nanostrips

waar σ _intra en σ _inter zijn de intraband- en interbandtermen van de oppervlaktegeleidbaarheid van grafeen, τ is de elektron-fonon relaxatietijd, E _f is de Fermi-energie, en t _g is de grafeendikte. De bestudeerde metamaterialen konden experimenteel worden gerealiseerd met behulp van geavanceerde nanofabricagetechnologie [83]. Eerst worden het zilversubstraat en de silicalaag bereid door thermische verdamping. Vervolgens wordt het monolaag grafeen gecoat op het silica-oppervlak door middel van chemische dampafzetting. Ten slotte wordt de periodieke reeks zilveren nanostrips vervaardigd door elektronenstraallithografie.

Resultaten en discussie

We bespreken eerst de reflectiespectra van metamaterialen zonder grafeen, zoals weergegeven door de zwarte lijn en vierkanten in figuur 2a. Een brede reflectiedip bij 1210 nm wordt waargenomen, die gerelateerd is aan een magnetische dipool. Wanneer grafeen in metamaterialen wordt ingevoegd, wordt de reflectie grotendeels verminderd voor de golflengten kleiner dan 1150 nm (de positie van interbandovergang in grafeen), zoals weergegeven door de rode lijn en cirkels in figuur 2a. De reden is dat de versterkte elektromagnetische velden van de resonantie-excitatie van magnetische dipool de lichtabsorptie van grafeen enorm verhogen. Dienovereenkomstig zal de door grafeen geïnduceerde modulatiediepte van reflectiespectra geleidelijk toenemen van ongeveer 11 tot 28%, wanneer de lichtgolflengte wordt verhoogd van 1000 nm naar de interbandovergangspositie, zoals weergegeven in figuur 2b. De modulatiediepte wordt over het algemeen gedefinieerd als (R -R ₀ )/R ₀ , waar R en R ₀ zijn de reflectiespectra met en zonder grafeen ingevoegd in metamaterialen [34].

een Numeriek berekende reflectiespectra van metamaterialen met en zonder een ingevoegde grafeenmonolaag, onder normale incidentie. b Modulatie diepte. Parameters:p _x =400 nm, w =200 nm, h =50 nm, t =30 nm, t _g =0,35 nm, T =300 K, τ =0,50 ps, E _f =0,54 eV

Om aan te tonen dat de brede reflectiedip relevant is voor een magnetische dipool, plotten we in Fig. 3 de elektromagnetische velden op de xoz vlak bij de golflengte van 1210 nm. De elektrische velden zijn voornamelijk verdeeld rond de randen van zilveren nanostrips en de magnetische velden zijn grotendeels gelokaliseerd in het silicagebied onder de zilveren nanostrips. De veldverdeling is de typische eigenschap van een magnetische dipoolresonantie [84]. Tussen het zilveren substraat en de individuele nanostrip produceert de plasmonische near-field hybridisatie anti-parallelle stromen, zoals aangegeven door twee zwarte pijlen in figuur 3b. De antiparallelle stromen kunnen een magnetisch moment M . induceren het invallende magnetische veld tegengaan om de magnetische dipoolresonantie te vormen. De resonantiegolflengte hangt sterk af van de breedte w van de zilveren nanostrips, die een duidelijke roodverschuiving zullen hebben wanneer w wordt verhoogd.

Elektrisch (a ) en magnetische (b ) veldverdelingen op de xoz vlak bij de magnetische dipoolresonantie

De positie van de interbandovergang kan gemakkelijk worden afgesteld wanneer een externe spanning wordt toegepast om de Fermi-energie E te veranderen _f . De afstembaarheid van de positie van de interbandovergang is zeer nuttig om de reflectiespectra efficiënt te regelen. Voor E _f om te stijgen van 0,46 naar 0,58 eV, verschuift de interband-overgangsblauw snel, zoals blijkt uit de geopende cirkels in figuur 4a. Tegelijkertijd wordt de reflectie merkbaar verminderd in het golflengtebereik door de interbandovergang. Nabij de resonantiegolflengte van magnetische dipool, wordt de reflectie verminderd tot een minimum van ongeveer 0,55, wanneer de interbandovergang geleidelijk wordt afgestemd om over de breedband magnetische dipool te gaan. Figuur 4b toont het door grafeen geïnduceerde reflectiemodulatie-effect voor verschillende E _f . Met afnemende E _f , wordt de modulatiediepte van reflectiespectra groter en heeft een maximum van bijna 40% wanneer E _f =0,46 eV. Bovendien wordt het afstembare golflengtebereik ook veel breder, vanwege de continue roodverschuiving van de interbandovergang wanneer E _f wordt afgenomen. In het golflengtebereik over de interbandovergang zijn de reflectiespectra echter niet gemoduleerd in vergelijking met het geval zonder grafeen, en dus is de modulatiediepte bijna nul.

Refectiespectra (a ) en modulatiediepte (b ) voor verschillende E _f

De interbandtransitie is nauw verwant aan Fermi-energie E _f , die volledig kan worden gemanifesteerd als een scherp spectraal kenmerk in de permittiviteit ε _g van grafeen. In Fig. 5 geven we de reële en imaginaire delen van ε _g voor verschillende E _f . Voor elke E _f , bestaat er een smalle piek in het echte deel van ε _g , en dienovereenkomstig verschijnt er een abrupte daling in het denkbeeldige deel van ε _g . Met afnemende E _f , zo'n scherpe spectrale functie roodverschuivingen natuurlijk. In het golflengtebereik aan de rechterkant van de abrupte daling, het denkbeeldige deel van ε _g is erg klein. Dit is de reden waarom de reflectiespectra niet worden gemoduleerd voor de golflengten over de interbandovergang. De positie-afhankelijkheid van interbandtransitie op Fermi-energie E _f wordt getoond in Fig. 6. We kunnen duidelijk zien dat de piekposities van het reële deel van ε _g komen uitstekend overeen met die aangegeven door de geopende cirkels in Fig. 4a.

Echt deel (a ) en denkbeeldig deel (b ) van ε _g voor verschillende E _f

een Posities van interbandovergang voor verschillende E _f

Conclusie

We hebben numeriek een methode gedemonstreerd om de reflectiespectra van elektromagnetische golven in het nabij-infraroodgebied efficiënt te moduleren door de interbandovergang van grafeen te koppelen aan de magnetische dipoolresonantie in metamaterialen. Het is gebleken dat de reflectiespectra grotendeels kunnen worden verminderd in het golflengtebereik onder de interbandovergang van grafeen, omdat de versterkte elektromagnetische velden van de magnetische dipoolresonantie de lichtabsorptie in grafeen aanzienlijk vergroten. De maximale modulatiediepte van reflectiespectra kan oplopen tot ongeveer 40% nabij de resonantiegolflengte van magnetische dipool, voor de interbandovergang dichtbij de magnetische dipoolresonantie, wanneer een externe spanning wordt toegepast om de Fermi-energie van grafeen te veranderen. Het reflectiemodulatie-effect dat in dit werk wordt gepresenteerd, kan mogelijke toepassingen vinden in optische communicatiesystemen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn onbeperkt beschikbaar.

Ontwerp van gesplitste zeshoekige patch-array-vormige nano-metaabsorber met ultrabreedbandabsorptie voor zichtbare en UV-spectrumtoepassing Een efficiënt celgericht medicijnafgiftesysteem op basis van door aptameer gemodificeerde mesoporeuze silica-nanodeeltjes

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal