Efficiënte nabij-infrarood optische modulatie via grafeen interband-overgang gekoppeld aan metamateriaal magnetische resonantie

Samenvatting

Het ontwerpen van krachtige elektromagnetische golf modulators is vereist voor de vooruitgang van optische communicatietechnologie. In dit werk bestuderen we hoe de amplitude van elektromagnetische golven in nabij-infrarood gebied efficiënt gemoduleerd kan worden, door de interacties tussen de interband-overgang van grafeen en de magnetische dipolresonantie in metamaterialen. De reflectiespectra van metamaterialen kunnen aanzienlijk verminderd worden in het golflengtebereik onder de interband-overgang, omdat de versterkte elektromagnetische velden van de magnetische dipolresonantie de lichtabsorptie in grafeen sterk verhogen. De maximale modulatiediepte van reflectiespectra kan ongeveer 40% bereiken nabij de resonantiegolflengte van de magnetische dipol, voor de interband-overgang de magnetische dipolresonantie te benaderen, wanneer een externe spanning wordt toegepast om de Fermi-energie van grafeen te veranderen.

Achtergrond

Dynamisch controleren van de spectrale eigenschappen van elektromagnetische golven door externe stimuli zoals mechanische kracht, temperatuurverandering, elektrische spanning, en laserbundel heeft toenemende interesse getrokken, vanwege veel toepassingen in holografische display-technologie, hoge-prestatie sensing, en optische communicaties. In de afgelopen jaren is veel inspanning gedaan om de transmissie, reflectie, of absorptiespectra van elektromagnetische golven actief te manipuleren, wat gebaseerd is op elektrisch instelbare oppervlaktegeleidbaarheid van grafeen, in een heel wijd frequentiebereik inclusief microgolf, terahertz (THz), infrarood, en zichtbaar regime. Zulke grafeen-gebaseerde actieve manipulatie van elektromagnetische golven is onder externe elektrische stimulus zonder herbouw van gerelateerde structuren, wat erop gericht is om de amplitude, fase, en polarisatie van elektromagnetische golven efficiënt te moduleren. In het ver-infrarood en THz regime omvat de oppervlaktegeleidbaarheid van grafeen alleen de bijdrage van intraband, en grafeen heeft een effectieve diëlektrische functie die beschreven kan worden met het standaard Drude-model. Daarom, bij lagere frequenties, heel vergelijkbaar met edele metalen (bijv. Ag en Au), is genanostructureerde grafeen ook in staat om gelokaliseerde of gedelokaliseerde oppervlakteplasmon-resonanties te ondersteunen met grote elektromagnetische veldversterking, wat breed gebruikt is om licht-materie interacties te versterken voor efficiënte modulatie van elektromagnetische golven. Bijvoorbeeld, in 2012 presenteerden Sensale-Rodriguez et al. theoretisch reflectiemodulators met uitstekende prestaties bij THz-frequentie, door gebruik te maken van plasmonische effecten in grafeen micro-linten. In het zichtbare en nabij-infrarood regime domineert de interband-bijdrage de oppervlaktegeleidbaarheid van grafeen, wiens complexe permitiviteit een reëel deel van positieve waarde heeft. Dus, bij hogere frequenties, ondersteunt grafeen zichzelf geen oppervlakteplasmon-resonanties meer, maar gedraagt zich meer als een ultra-dun diëlektrisch film wanneer het met licht interageert. In deze situatie worden vaak verschillende hoge-kwaliteit resonantiemodi ondersteund in andere genanostructureerde materialen verkend om elektromagnetische golven elektrisch te moduleren, met de hulp van de grindedrevene Fermi-energie van grafeen. Bijvoorbeeld, bestudeerden Yu et al. in theorie de amplitudemodulatie van zichtbaar licht met grafeen, door gebruik te maken van Fabry-Perot interferentie, Mie-modi in diëlektrische nanospheren met een hoge brekingsindex, en oppervlakte-rooster-resonanties in een periodieke array van metaalnanodeeltjes. In het afgelopen decennium is magnetische resonantie in metamaterialen uitgebreid en intens bestudeerd om perfecte absorbers van elektromagnetische golven te bereiken. Tot nu toe zijn er echter slechts een paar studies over optische modulators die gebaseerd zijn op magnetische resonantie in metamaterialen met een ingevoegde grafeen monolaag.

We zullen een efficiënte methode voorstellen om de reflectiespectra van elektromagnetische golven in nabij-infrarood regio te moduleren, door de interband-overgang van grafeen te koppelen aan de magnetische dipolresonantie in metamaterialen. Het is gevonden dat de reflectiespectra van metamaterialen grotendeels verminderd kunnen worden in het golflengtebereik onder de interband-overgang van grafeen, omdat de versterkte elektromagnetische velden van de magnetische dipolresonantie de lichtabsorptie in grafeen sterk verhogen. De maximale modulatiediepte van reflectie-amplitude kan ongeveer 40% bereiken nabij de resonantiegolflengte van de magnetische dipol, voor de interband-overgang dicht bij de magnetische dipolresonantie te zijn, wanneer een externe spanning wordt toegepast om de Fermi-energie van grafeen te veranderen.

Methoden

We tonen schematisch in Fig. 1 de bouwsteen van onderzochte metamaterialen voor efficiënte reflectiemodulatie in nabij-infrarood regio, door de interacties tussen de magnetische dipolresonantie en de interband-overgang van grafeen. We voeren numerieke berekeningen uit met het commerciële softwarepakket "EastFDTD". De silica-laag heeft een brekingsindex van 1,45, en de zilver nanostroken en substraat hebben een experimentele diëlektrische functie. De grafeen heeft een relatieve permitiviteit berekend door de volgende formule:

waarbij σ_intra en σ_inter de intraband en interband termen zijn van de oppervlaktegeleidbaarheid van grafeen, τ de elektronen-fonon relaxatietijd, E_f de Fermi-energie, en t_g de grafeen-dikte. De bestudeerde metamaterialen kunnen experimenteel gerealiseerd worden met de hulp van geavanceerde nanofabricatietechnologie. Eerst worden het zilver substraat en de silica-laag bereid door thermische verdamping. Vervolgens wordt de monolaag grafeen op het silica-oppervlak gecoate door chemische dampfase depositie. Ten slotte wordt de periodieke array van zilver nanostroken gefabriceerd door elektronenbundel lithografie.

Resultaten en discussie

We bespreken eerst de reflectiespectra van metamaterialen zonder grafeen, getoond door de zwarte lijn en vierkanten in Fig. 2a. Een brede reflectiedip bij 1210 nm wordt waargenomen, wat gerelateerd is aan een magnetische dipol. Wanneer grafeen in metamaterialen wordt ingevoegd, wordt de reflectie grotendeels verminderd voor golflengtes kleiner dan 1150 nm (de positie van de interband-overgang in grafeen), getoond door de rode lijn en cirkels in Fig. 2a. De reden is dat de versterkte elektromagnetische velden van de resonantie-excitatie van de magnetische dipol de lichtabsorptie van grafeen enorm verhogen. Overeenkomstig neemt de grafeen-geïnduceerde modulatiediepte van reflectiespectra geleidelijk toe van ongeveer 11 tot 28%, toen de lichtgolflengte toeneemt van 1000 nm tot de interband-overgangspositie, zoals getoond in Fig. 2b. De modulatiediepte is over het algemeen gedefinieerd als (R-R₀)/R₀, waar R en R₀ de reflectiespectra zijn met en zonder grafeen ingevoegd in metamaterialen.

Om te demonstreren dat de brede reflectiedip relevant is voor een magnetische dipol, plotten we in Fig. 3 de elektromagnetische velden op het xoz vlak bij de golflengte van 1210 nm. De elektrische velden zijn voornamelijk verdeeld rond de randen van de zilver nanostroken, en de magnetische velden zijn grotendeels gelokaliseerd in de silica-regio onder de zilver nanostroken. De veldverdeling is de typische eigenschap van een magnetische dipolresonantie. Tussen het zilver substraat en individuele nanostrook produceert de plasmonische nabij-veldhypbridisatie anti-parallele stromen, zoals aangegeven door twee zwarte pijlen in Fig. 3b. De anti-parallele stromen kunnen een magnetisch moment M induceren dat de invalende magnetische veld tegenwerkt om de magnetische dipolresonantie te vormen. De resonante golflengte hangt sterk af van de breedte w van de zilver nanostroken, wat een duidelijke rode verschuiving zal hebben wanneer w verhoogd wordt.

De positie van de interband-overgang kan gemakkelijk afgesteld worden wanneer een externe spanning wordt toegepast om de Fermi-energie E_f te veranderen. De positie-instelbaarheid van de interband-overgang is erg nuttig om de reflectiespectra efficiënt te controleren. Voor E_f om te stijgen van 0,46 tot 0,58 eV, verschuift de interband-overgang snel naar blauw, zoals getoond door de open cirkels in Fig. 4a. Tegelijkertijd wordt de reflectie opmerkelijk verminderd in het golflengtebereik onder de interband-overgang. Nabij de resonantiegolflengte van de magnetische dipol wordt de reflectie gereduceerd tot een minimum van ongeveer 0,55, wanneer de interband-overgang geleidelijk wordt afgesteld om over de brede magnetische dipol te kruisen. Figuur 4b toont de 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 instelbare golflengtebereik ook veel breder, vanwege de continue rode verschuiving van de interband-overgang wanneer E_f verminderd wordt. Echter, in het golflengtebereik boven de interband-overgang, worden de reflectiespectra niet gemoduleerd vergeleken met het geval zonder grafeen, en dus is de modulatiediepte bijna nul.

De interband-overgang is nauw gerelateerd aan Fermi-energie E_f, wat volledig kan worden gemanifesteerd als een scherp spectraal kenmerk in de permitiviteit ε_g van grafeen. In Fig. 5 geven we de reële en imaginaire delen van ε_g voor verschillende E_f. Voor elk E_f bestaat er een smalle piek in het reële deel van ε_g, en corresponderend een abrupte daling verschijnt in het imaginaire deel van ε_g. Met afnemende E_f, verschuift zo'n scherp spectraal kenmerk duidelijk naar rood. In het golflengtebereik aan de rechterkant van de abrupte daling, is het imaginaire deel van ε_g erg klein. Dit is waarom de reflectiespectra niet gemoduleerd worden voor de golflengtes boven de interband-overgang. De positie-afhankelijkheid van de interband-overgang op Fermi-energie E_f wordt getoond in Fig. 6. We kunnen duidelijk zien dat de piekposities van het reële deel van ε_g in uitstekende overeenstemming zijn met die aangegeven door de open cirkels in Fig. 4a.

Conclusie

We hebben numeriek een methode gedemonstreerd om de reflectiespectra van elektromagnetische golven in nabij-infrarood regio efficiënt te moduleren, door de interband-overgang van grafeen te koppelen aan de magnetische dipolresonantie in metamaterialen. Het is gevonden dat de reflectiespectra grotendeels verminderd kunnen worden in het golflengtebereik onder de interband-overgang van grafeen, omdat de versterkte elektromagnetische velden van de magnetische dipolresonantie de lichtabsorptie in grafeen sterk verhogen. De maximale modulatiediepte van reflectiespectra kan ongeveer 40% bereiken nabij de resonantiegolflengte van de magnetische dipol, voor de interband-overgang nabij de magnetische dipolresonantie te zijn, wanneer een externe spanning wordt toegepast om de Fermi-energie van grafeen te veranderen. Het reflectiemodulatie-effect gepresenteerd in dit werk kan potentiële toepassingen vinden in optische communicatiesystemen.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder restricties.