Un control flexible sobre los comportamientos electromagnéticos del oligómero de grafeno ajustando el potencial químico

Resultados de la simulación y debates

El efecto del cambio de potencial químico local de los nanodiscos de grafeno en modos plasmónicos

Para la estructura propuesta, los espectros de extinción (Fig. 2) exhiben dos resonancias prominentes asociadas con la excitación de plasmones en el oligómero de grafeno. El oligómero de grafeno es capaz de mantener dos modos plasmónicos, ambos sensibles al potencial químico del grafeno μ _c . Variando μ _c del oligómero de grafeno completo de 0,4 eV a 0,6 eV, ambas resonancias plasmónicas se vuelven intensas y las posiciones se mueven a un rango de frecuencia más alto simultáneamente. La mejora distintiva de la absorción en el oligómero de grafeno se atribuye a la promoción de la densidad de portadores con el aumento de μ _c , que crea un espacio óptico donde los plasmones evitan ser apagados a través del acoplamiento a pares de agujeros de electrones (amortiguamiento de Landau). El aumento de las transiciones de pares de electrones y huecos virtuales permitidas da lugar a la interacción significativa de nanodiscos de grafeno acoplados de forma coherente que intensifica el máximo de extinción [21]. Elegimos el espectro de extinción con μ _c =0.5eV como punto de referencia y los dos picos etiquetados con A ₀ y B ₀ representan dos modos plasmónicos diferentes y los campos eléctricos correspondientes se presentan en la Fig. 2b. Los campos eléctricos concentrados fuertes aparecen como el punto caliente electromagnético a nanoescala y conducen a la intensificación de la extinción. Para el pico A ₀ , los puntos calientes se concentran principalmente en los ocho nanodiscos de la parte superior e inferior, y se centran especialmente en los cuatro nanodiscos de las posiciones más alta y más baja de la nanoestructura. Para pico B ₀ , los puntos calientes se concentran principalmente en los ocho nanodiscos del lado izquierdo y derecho, y los cuatro nanodiscos más brillantes están en las posiciones más a la izquierda y a la derecha de la nanoestructura, que es perpendicular al modo del pico A ₀ . Basado en las diferentes distribuciones del campo eléctrico del pico A ₀ y B ₀ , definimos el modo del pico A ₀ como modo Y y el modo de pico B ₀ como modo X para una expresión clara. Los cuatro nanodiscos de grafeno más brillantes en el modo Y son extremadamente oscuros en el modo X y viceversa. Otros cuatro nanodiscos de grafeno compuestos por un cuadrado son relativamente brillantes tanto en el modo Y como en el modo X definido como la parte de intersección. Dividimos los nanodiscos de grafeno periféricos en tres partes con diferentes potenciales químicos μ _{c 1} , μ _{c 2} y μ _{c 3} respectivamente (mostrados en la Fig. 3a y b). Los nanodiscos con μ _{c 2} o μ _{c 3} son la parte más brillante en el modo Y o el modo X. El potencial químico de la parte de intersección y el centro μ _{c 1} mantiene 0,5 eV en el siguiente cálculo. Al principio, μ _{c 2} aumenta a 0,6 eV y otros mantienen 0,5 eV (mostrado en la Fig. 3a). Entonces μ _{c 3} aumenta a 0,6 eV y otros mantienen 0,5 eV (mostrado en la Fig. 3b). Cambiando μ _{c 2} o μ _{c 3} a 0,6 eV respectivamente, una serie de variaciones espectrales aparecen visiblemente en la Fig. 3c. Podemos ver que al cambiar el potencial químico de los nanodiscos de grafeno seccionales y dejar constantes los demás parámetros, se obtiene una reconfiguración flexible de la forma espectral general, que se manifiesta por un cambio sistemático en la altura de dos picos de resonancia. En la Fig. 3d, los campos eléctricos de la variante del modo Y y del modo X se representan en detalle. Como se muestra en la Fig. 1c, la parte real de n _eff es inversamente proporcional al potencial químico. Por tanto, cuando aumenta el potencial químico, el confinamiento de la luz de incidencia se debilita. El mecanismo del cambio de potencial químico local en el oligómero de grafeno es que el aumento del potencial químico reduce la interacción entre la luz y los nanodiscos de grafeno y empuja los puntos calientes hacia los nanodiscos circundantes. Si la orientación del empuje es hacia la ubicación de una fuerte resonancia plasmónica, la resonancia se refuerza notablemente; de ​​lo contrario, se reduce. Esto significa que el efecto del cambio de potencial químico local depende de las distribuciones del campo eléctrico de diferentes modos. Cuando μ _{c 2} aumenta a 0,6 eV, pico A ₀ disminuye significativamente y se desplaza hacia el rojo hasta el pico A ₁ debido al confinamiento débil de los cuatro nanodiscos de grafeno más brillantes para la luz de incidencia, donde los puntos calientes se concentran principalmente en la parte de intersección. Simultáneamente, pico B ₀ aumentar significativamente y cambiar al azul hasta el pico B ₁ , que se atribuye al hecho de que el aumento de μ _{c 2} mejorar suficientemente el modo X. Para μ _{c 3} =0,6 eV, es al revés. Pico A ₀ aumenta ligeramente y el rojo se desplaza al pico A ₂ derivado de la mejora del modo Y con μ _{c 3} creciente. Mientras tanto, pico B ₀ el azul cambia al pico B ₂ y disminuye con la concentración de puntos calientes en la parte de intersección, que está de acuerdo con el pico A ₁ .

un Los espectros de extinción del oligómero de grafeno con potencial químico que van desde 0,4 a 0,6 eV. b Los campos eléctricos simulados (| E |) en los dos picos de resonancia

un , b Ilustración esquemática de nanodiscos de grafeno de selección con diferentes cambios de potencial químico en el oligómero de grafeno. c Los espectros de extinción con diferentes potenciales químicos. d El campo eléctrico simulado (| E |) en los picos de resonancia A ₀ , A ₁ y A ₂ , B ₀ , B ₁ y B ₂

Estas variaciones del modo Y y el modo X dan lugar al descenso o mejora de los espectros de extinción. Se logra un control flexible sobre las curvas de extinción ajustando los comportamientos EM del modo Y y el modo X que surgen de la adición selectiva de los potenciales químicos de los nanodiscos de grafeno, lo que abre un camino novedoso para diseñar nanodispositivos de grafeno con diferentes funciones. Por ejemplo, cuando μ _{c 2} =0.6eV, pico A ₀ bajar mientras el pico B ₀ se intensifica significativamente, lo que hace que el oligómero de grafeno sea adecuado para absorbentes de alta eficiencia. De otra manera, cuando μ _{c 3} =0.6eV, los valores de dos picos se acercan mucho, lo que es conveniente para diseñar nanosensores de doble banda.

La mejora de modo al aumentar el potencial químico de la parte de intersección

Para los campos electromagnéticos de dos modos plasmónicos, aparece una parte de intersección compuesta por cuatro nanodiscos de grafeno entre dos modos plasmónicos. Como se muestra en la Fig. 3d, los campos eléctricos se concentran principalmente en los cuatro nanodiscos de grafeno en la parte de intersección al cambiar localmente el potencial químico. Por lo tanto, creemos que el potencial químico de la parte de intersección influye significativamente en las características EM del oligómero de grafeno y el perfil de los espectros de extinción. Redistribuimos los potenciales químicos en el oligómero de grafeno. El potencial químico de cuatro nanodiscos de grafeno en la parte de intersección se establece como μ _{c 2} . El potencial químico de otros nanodiscos μ _{c 1} se mantiene en 0.5 eV (mostrado en la Fig. 4a). Sobre la base de los mecanismos de cambio de potencial químico local, el potencial químico creciente de la parte de intersección intensifica tanto el modo Y como el modo X. Como se muestra en la Fig. 4b, al aumentar μ _{c 2} , el espectro de extinción se modifica drásticamente. Cuando μ _{c 2} aumenta a 0,6 eV, ambos picos de resonancia tienen una promoción en comparación con μ _{c 2} =0,5 eV. Se observa que aparece un nuevo pico de resonancia alrededor del pico de resonancia del modo Y. Cuando el μ _{c 2} aumenta aún más a 0,7 eV, los dos picos de resonancia se vuelven más fuertes y, obviamente, aparece un nuevo pico de resonancia alrededor del pico de resonancia del modo Y. La elucidación de una fuerte mejora de los picos de resonancia es que el aumento de μ _{c 2} intensifica de forma eficiente el modo Y y el modo X. El aumento de μ _{c 2} facilita las oscilaciones plasmónicas de cuatro nanodiscos de grafeno en modo Y y modo X respectivamente. El pico de resonancia del modo Y dividido en dos picos de resonancia es un proceso de degeneración. Como se muestra en la Fig. 4c, los dos picos de resonancia etiquetados por I y II tienen los mismos campos eléctricos pero los componentes del campo eléctrico son diferentes. Las direcciones de Ey del pico I y II son perpendiculares entre sí, lo que representa dos modos plasmónicos que degeneran del modo Y. Los dos nuevos modos plasmónicos se fusionan originalmente en el modo Y, y los dos modos comienzan a separarse con μ _{c 2} creciente. Además, los dos picos de resonancia degenerados con μ _{c 2} =0.6eV son mucho más grandes que el pico de resonancia con μ _{c 2} =0,5 eV. De esta manera, eligiendo los nanodiscos de grafeno de la parte de intersección para aumentar su potencial químico, se pueden mejorar todos los picos de resonancia en los espectros de extinción. Se propone mejorar la absorción de los nanodiscos de grafeno cambiando selectivamente los potenciales químicos de los nanodiscos de grafeno adaptativos, lo que ayuda a diseñar nanodispositivos plasmónicos capaces de absorber la luz con alta eficiencia.

un Ilustración esquemática de nanodiscos de grafeno de selección con diferentes potenciales químicos para cambiar el potencial químico de la parte de intersección. b Los espectros de extinción con potencial químico creciente de intersección parten de 0,5 eV a 0,7 eV. c Los campos eléctricos (| E |) y los campos eléctricos del componente y (Ey) en los picos de resonancia I y II

El efecto del potencial químico del nanodisco central

Los nanodiscos de grafeno centrales introducidos en el oligómero de grafeno tienen como objetivo permitir que las nanoestructuras posean más flexibilidad e investigar más a fondo el efecto del cambio químico local en diferentes posiciones. Debido a la gran distancia entre el nanodisco de grafeno central y los nanodiscos de grafeno periféricos, el nanodisco de grafeno central no puede acoplarse con los otros nanodiscos de grafeno en dos modos plasmónicos. En esta sección, establecemos el potencial químico del nanodisco de grafeno central como μ _{c 2} . Otros se establecen como μ _{c 1} manteniendo 0.5 eV (mostrado en la Fig. 5a). Cambiando el potencial químico del nanodisco de grafeno central μ _{c 2} es capaz de modificar los campos EM del oligómero de grafeno sin cambiar la geometría. Los resultados al aumentar μ _{c 2} se muestran en la Fig. 5b y c. El aumento de μ _{c 2} mejora las oscilaciones plasmónicas de los nanodiscos de grafeno centrales. Sin embargo, cuando el aumento de μ _{c 2} es relativamente pequeño, la fuerza del oscilador del nanodisco de grafeno central no es suficiente para admitir el nuevo modo plasmónico e influir en los modos intrínsecos, por lo que el espectro de extinción μ _{c 2} =0.6eV casi no tiene cambios en comparación con μ _{c 2} =0.5eV, donde todavía aparecen dos picos de resonancia (mostrado en la Fig. 5b). Cuando μ _{c 2} alcanza un valor grande (0,8 eV), obviamente aparece un nuevo pico de resonancia en el espectro de extinción (mostrado en la Fig. 5c). La enorme mejora de las oscilaciones plasmónicas cambia profundamente el perfil del espectro de extinción. El nuevo pico de resonancia se origina en la fuerte interacción entre la luz incidente y el nanodisco de grafeno central, de los cuales los campos EM se concentran principalmente en el nanodisco de grafeno central, que se define como el modo central. El pico de resonancia soportado por el modo central es mucho mayor que dos picos de resonancia intrínsecos, mientras que los dos picos de resonancia intrínseca se suprimen drásticamente e incluso desaparecen en el espectro de extinción. El efecto de μ _{c 2} es diferente del efecto discutido anteriormente, porque el nanodisco de grafeno central no está contenido en los modos plasmónicos innatos. El efecto de μ _{c 2} consiste en cambiar el potencial químico del oligómero de grafeno completo que se comenta al principio. De tal manera, aumentando μ _{c 2} , se puede diseñar el novedoso dispositivo plasmónico capaz de absorber la luz incidente de manera eficiente. En combinación con los estudios antes mencionados, la adaptación flexible de las localizaciones del campo electromagnético se puede lograr ajustando con precisión los potenciales químicos del nanodisco de grafeno en diferentes posiciones.

un Ilustración esquemática de nanodiscos de grafeno de selección con diferentes potenciales químicos para cambiar el potencial químico del nanodisco de grafeno central. b Los espectros de extinción del oligómero de grafeno con el potencial químico del nanodisco de grafeno central μ _{c 2} =0.5eV y μ _{c 2} =0,6 eV. c El espectro de extinción del oligómero de grafeno con el potencial químico del nanodisco de grafeno central μ _{c 2} =0,8 eV. El recuadro muestra los campos eléctricos (| E |) en el pico de resonancia

En la práctica, la capa única atómica continua de grafeno se cultiva primero utilizando un método de deposición de vapor químico optimizado con CH ₄ como fuente de carbono. Luego, se determina que la película de grafeno es monocapa mediante mediciones Raman. La litografía por haz de electrones con poli (metacrilato de metilo) (PMMA) como una capa protectora de haz de electrones se utiliza para modelar la película de grafeno para producir las nanoestructuras propuestas, y el plasma de oxígeno graba el área expuesta, quedando el patrón de grafeno protegido. por una capa de PMMA con posterior despegue con acetona. Entonces el dispositivo está listo para la prueba. El potencial químico se puede ajustar mediante la manipulación del dopaje químico y electrostático. Para el dopaje químico, el cambio de potencial químico local se puede realizar exponiendo los nanodiscos de grafeno necesarios a HNO ₃ vapor y simultáneamente previniendo el contacto entre otros nanodiscos de grafeno y HNO ₃ vapor. Para el dopaje electrostático, una configuración de puerta superior adecuada puede manipular localmente el potencial químico del grafeno al suministrar voltaje de puerta superior.