Modulación óptica infrarrojo cercano eficiente vía transición interbanda grafeno acoplada a resonancia magnética metamaterial

Antecedentes

Controlar dinámicamente propiedades espectrales ondas electromagnéticas estímulos externos como fuerza mecánica, cambio temperatura, voltaje eléctrico, y haz láser [1,2,3,4] ha atraído interés creciente, por muchas aplicaciones campos tecnología visualización holográfica, sensado alto rendimiento, y comunicaciones ópticas. Últimos años, mucho esfuerzo hecho manipular activamente espectros transmisión, reflexión, o absorción ondas electromagnéticas, basado conductividad superficial eléctricamente sintonizable grafeno, rango frecuencia muy amplio incluyendo microondas [5, 6], terahercio (THz) [7–33], infrarrojo [34–65], y régimen visible [66–72]. Tal manipulación activa grafeno‑basada ondas electromagnéticas bajo estímulo eléctrico externo sin reconstruir estructuras relacionadas, apunta modular eficientemente amplitud [5, 7–21, 34–57, 66–72], fase [6, 22–28, 58–62], y polarización [29–33, 63–65] ondas electromagnéticas. Tres tipos moduladores ondas electromagnéticas son más importantes procesamiento señal comunicaciones ópticas espacio libre [1,2,3,4]. En régimen lejano infrarrojo y THz, conductividad superficial grafeno solo comprende contribución intrabanda, y grafeno tiene función dieléctrica efectiva describible modelo Drude estándar [27]. Por tanto, frecuencias bajas, muy similar metales nobles (p.ej., Ag y Au), grafeno nanoestructurado también capaz soportar resonancias plasmón superficie localizadas o deslocalizadas [73] con gran mejora campo electromagnético, ampliamente empleado fortalecer interacciones luz‑materia para modulación eficiente ondas electromagnéticas. Por ejemplo, 2012, Sensale‑Rodriguez et al. presentaron teóricamente moduladores reflectancia excelente rendimiento frecuencia THz, aprovechando efectos plasmónicos grafeno micro‑cintas [9]. En régimen visible e infrarrojo cercano, contribución interbanda domina conductividad superficial grafeno, cuya permitividad compleja tiene parte real valor positivo. Así, frecuencias altas, grafeno ya no soporta resonancias plasmón superficie, sino comporta más como película dieléctrica ultra‑delgada cuando interactúa luz. En esta situación, varios modos resonancia alta calidad soportados otros materiales nanoestructurados a menudo explorados modular eléctricamente ondas electromagnéticas, con ayuda Fermi energía grafeno controlada gate. Por ejemplo, Yu et al. estudiaron teóricamente modulación amplitud luz visible grafeno, utilizando interferencia Fabry‑Perot, modos Mie esferas dieléctricas alto índice refracción, y resonancias red superficial array periódico nanopartículas metálicas [67]. Última década, resonancia magnética metamateriales estudiada extensiva e intensamente lograr absorbedores perfectos ondas electromagnéticas [74–78]. Sin embargo, hasta ahora, solo pocos estudios moduladores ópticos basados resonancia magnética metamateriales con monocapa grafeno insertada [34].

Propondremos método eficiente modular espectros reflexión ondas electromagnéticas región infrarrojo cercano, acoplando transición interbanda grafeno a resonancia dipolo magnético metamateriales. Se encuentra que espectros reflexión metamateriales pueden reducirse largamente rango longitud onda debajo transición interbanda grafeno, porque campos electromagnéticos mejorados desde resonancia dipolo magnético aumentan enormemente absorción luz grafeno. La profundidad máxima modulación amplitud reflexión puede alcanzar ~40 % cerca longitud onda resonancia dipolo magnético, para transición interbanda cercana resonancia dipolo magnético, cuando voltaje externo aplicado cambia energía Fermi grafeno.

Métodos

Mostramos esquemáticamente Fig. 1 bloque construcción metamateriales investigados para modulación reflexión eficiente región infrarrojo cercano, través interacciones entre resonancia dipolo magnético y transición interbanda grafeno. Realizamos cálculos numéricos paquete software comercial "EastFDTD" [79, 80]. Capa sílice índice refracción 1,45, y nanostrips plata y sustrato tienen función dieléctrica experimental [81]. Grafeno tiene permitividad relativa calculada fórmula siguiente [82]:

Esquemático bloque construcción metamateriales. Parámetros geométricos: período p_x dirección eje x, espesor t espaciador sílice, ancho w, y altura h nanostrips plata

donde σ_intra y σ_inter términos intrabanda e interbanda conductividad superficial grafeno, τ tiempo relajación electrón‑fonón, E_f energía Fermi, y t_g espesor grafeno. Metamateriales estudiados podrían realizarse experimentalmente ayuda tecnología nanofabricación avanzada [83]. Primero, sustrato plata y capa sílice preparados evaporación térmica. Luego, monocapa grafeno recubierta superficie sílice mediante deposición vapor químico. Finalmente, array periódico nanostrips plata fabricado litografía haz electrones.

Resultados y discusión

Primero discutimos espectros reflexión metamateriales sin grafeno, como muestra línea negra y cuadrados Fig. 2a. Un valle reflexión ancho 1210 nm observado, relacionado dipolo magnético. Cuando grafeno insertado metamateriales, reflexión reducida largamente longitudes onda menores 1150 nm (posición transición interbanda grafeno), como muestra línea roja y círculos Fig. 2a. Razón es que campos electromagnéticos mejorados desde excitación resonancia dipolo magnético aumentan enormemente absorción luz grafeno. Correspondientemente, profundidad modulación inducida grafeno espectros reflexión aumentará gradualmente ~11 a 28 %, cuando longitud onda luz aumenta 1000 nm a posición transición interbanda, como exhibe Fig. 2b. Profundidad modulación generalmente definida como (R−R₀)/R₀, donde R y R₀ son espectros reflexión con y sin grafeno insertado metamateriales [34].

a Espectros reflexión calculados numéricamente metamateriales con y sin monocapa grafeno insertada, incidencia normal. b Profundidad modulación. Parámetros: 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

Para demostrar que valle reflexión ancho relevante dipolo magnético, Fig. 3 graficamos campos electromagnéticos plano xoz longitud onda 1210 nm. Campos eléctricos distribuidos principalmente bordes nanostrips plata, y campos magnéticos localizados largamente región sílice bajo nanostrips plata. Distribución campo propiedad típica resonancia dipolo magnético [84]. Entre sustrato plata y nanostrip individual, hibridación campo cercano plasmónico produce corrientes anti‑paralelas, indicadas dos flechas negras Fig. 3b. Corrientes anti‑paralelas pueden inducir momento magnético M contrarrestando campo magnético incidente formar resonancia dipolo magnético. Longitud onda resonante depende fuertemente ancho w nanostrips plata, que tendrá corrimiento rojo obvio cuando w aumenta.

Distribuciones campo eléctrico (a) y magnético (b) plano xoz resonancia dipolo magnético

Posición transición interbanda puede sintonizarse convenientemente cuando voltaje externo aplicado cambia energía Fermi E_f. Sintonizabilidad posición transición interbanda muy útil controlar eficientemente espectros reflexión. Para E_f aumentar 0,46 a 0,58 eV, transición interbanda azul‑desplaza rápidamente, como exhiben círculos abiertos Fig. 4a. Simultáneamente, reflexión reducida notablemente rango longitud onda bajo transición interbanda. Cerca longitud onda resonancia dipolo magnético, reflexión reducida mínimo ~0,55, cuando transición interbanda sintonizada gradualmente cruzar dipolo magnético banda ancha. Figura 4b muestra efecto modulación reflexión inducido grafeno diferentes E_f. Disminuyendo E_f, profundidad modulación espectros reflexión se vuelve mayor y máximo casi 40 % cuando E_f = 0,46 eV. Además, rango longitud onda sintonizable también se vuelve mucho más amplio, debido corrimiento rojo continuo transición interbanda cuando E_f disminuye. Sin embargo, rango longitud onda sobre transición interbanda, espectros reflexión no modulan comparado caso sin grafeno, y así, profundidad modulación casi cero.

Espectros reflexión (a) y profundidad modulación (b) diferentes E_f

Transición interbanda estrechamente relacionada energía Fermi E_f, que puede manifestarse plenamente como característica espectral aguda permitividad ε_g grafeno. Fig. 5 damos parte real e imaginaria ε_g diferentes E_f. Para cada E_f, existe pico estrecho parte real ε_g, y correspondiente caída abrupta aparece parte imaginaria ε_g. Disminuyendo E_f, tal característica espectral aguda rojo‑desplaza obviamente. Rango longitud onda lado derecho caída abrupta, parte imaginaria ε_g muy pequeña. Por esto espectros reflexión no modulan longitudes onda sobre transición interbanda. Dependencia posición transición interbanda energía Fermi E_f mostrada Fig. 6. Claramente vemos posiciones picos parte real ε_g en excelente acuerdo con indicados círculos abiertos Fig. 4a.

Parte real (a) e imaginaria (b) ε_g diferentes E_f

a Posiciones transición interbanda diferentes E_f

Conclusión

Hemos demostrado numéricamente método modular eficientemente espectros reflexión ondas electromagnéticas región infrarrojo cercano, acoplando transición interbanda grafeno a resonancia dipolo magnético metamateriales. Se encuentra que espectros reflexión pueden reducirse largamente rango longitud onda debajo transición interbanda grafeno, porque campos electromagnéticos mejorados desde resonancia dipolo magnético aumentan enormemente absorción luz grafeno. La profundidad máxima modulación espectros reflexión puede alcanzar ~40 % cerca longitud onda resonancia dipolo magnético, para transición interbanda cercana resonancia dipolo magnético, cuando voltaje externo aplicado cambia energía Fermi grafeno. El efecto modulación reflexión presentado en este trabajo puede hallar aplicaciones potenciales sistemas comunicaciones ópticas.

Disponibilidad datos y materiales

Todos datos completamente disponibles sin restricción.