Графеновые плазмоны достигают инфракрасного диапазона

Проблематично для более коротковолнового света, фотонов в ближней инфракрасной области спектра, где становятся возможными телекоммуникационные приложения. В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Optics Letters от The Optical Society (OSA), исследователи из Технического университета Дании впервые продемонстрировали эффективное усиление поглощения на длине волны 2 микрометра с помощью графена, в частности с помощью плазмоны наноразмерных графеновых дисков.

Подобно водной ряби, возникающей из-за энергии брошенного камешка, электронные колебания могут возникать в свободно движущихся электронах проводимости за счет поглощения световой энергии. Возникающие в результате коллективные когерентные движения этих электронов называются плазмонами, которые также служат для усиления напряженности электрического поля поглощенного света в непосредственной близости. Плазмоны становятся все более обычным явлением в различных оптоэлектронных приложениях, где можно легко интегрировать металлы с высокой проводимостью.
Однако графеновые плазмоны сталкиваются с дополнительным набором проблем, незнакомых плазмонам массивных металлов.

Одна из этих проблем — относительно большая длина волны, необходимая для их возбуждения. Многие попытки использовать усиливающие эффекты плазмонов на графен показали многообещающие результаты, но для света с низкой энергией.

«Мотивация нашей работы — продвинуть графеновые плазмоны на более короткие длины волн, чтобы интегрировать концепции графеновых плазмонов с существующими зрелыми технологиями», — сказал Саншуй Сяо, доцент Технического университета Дании.
Для этого Сяо, Ван и их сотрудники черпали вдохновение из последних разработок университетского Центра наноструктурированного графена (CNG), где они продемонстрировали метод самосборки, приводящий к созданию больших массивов графеновых наноструктур.

Их метод в основном использует геометрию для усиления эффектов графенового плазмона на более коротких длинах волн за счет уменьшения размера графеновых структур.
Используя литографические маски, приготовленные методом самосборки на основе блок-сополимера, исследователи создали массивы графеновых нанодисков. Они контролировали окончательный размер дисков, подвергая массив воздействию кислородной плазмы, которая вытравливала диски, в результате чего средний диаметр снижался примерно до 18 нм. Это примерно в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса.

Массив дисков размером примерно 18 нм, полученный в результате 10 секунд травления кислородной плазмой, показал четкий резонанс со светом с длиной волны 2 микрометра, самый короткий резонанс длины волны, когда-либо наблюдавшийся в графеновых плазмонах.
Можно предположить, что более длительное время травления или более тонкие литографические маски и, следовательно, меньшие диски приведут к еще более коротким длинам волн. Вообще говоря, это так, но уже при 18 нм диски начинают требовать учета атомных деталей и квантовых эффектов.
Вместо этого команда планирует в будущем настраивать плазмонные резонансы графена в меньших масштабах, используя методы электрического стробирования, когда локальная концентрация электронов и профиль электрического поля изменяют резонансы.

Сяо сказал: «Чтобы еще больше продвинуть графеновые плазмоны на более короткие длины волн, мы планируем использовать электрическое стробирование. Вместо дисков графена антидоты графена (i.е. листы графена с обычными отверстиями) будут выбраны, потому что легко реализовать технику обратного стробирования."

Существуют также фундаментальные ограничения физики, которые не позволяют сократить длину волны графенового плазмонного резонанса при большем травлении. «Когда длина волны станет короче, межзонный переход вскоре будет играть ключевую роль, что приведет к расширению резонанса. Из-за слабой связи света с графеновыми плазмонами и этого эффекта уширения станет трудно наблюдать резонансную особенность », — пояснил Сяо.

Портал обо всем