Transparencia Plasmónica Dual Conmutable mediante Resonadores de Grafeno Distintos

Resumen

Los sistemas plasmónicos generales para realizar transparencia inducida plasmónicamente (PIT) solo exhiben un único PIT, principalmente porque solo permiten una única vía de acoplamiento. En este estudio, proponemos un sistema basado en resonadores de grafeno distintos, compuesto por nanocintas de grafeno (GNRs) acopladas con resonadores de capa de grafeno cargados con rejilla dieléctrica, para lograr dos efectos PIT conmutables. Al diseñar direcciones cruzadas de los resonadores, el sistema presenta dos efectos PIT diferentes caracterizados por posiciones resonantes y anchos de línea distintos. Estos dos efectos PIT resultan de dos vías de acoplamiento separadas y selectivas en polarización, permitiendo conmutar el PIT de uno a otro simplemente cambiando la dirección de polarización. Se realizan estudios paramétricos para demostrar los efectos de acoplamiento, aplicándose el modelo de dos partículas para explicar el mecanismo físico, hallándose excelente concordancia entre resultados numéricos y teóricos. Nuestra propuesta puede usarse para diseñar dispositivos plasmónicos basados en PIT conmutable, como sensores de banda dual sintonizables y absorbedores perfectos.

Introducción

Los plasmones de superficie son modos resonantes colectivos de electrones libres generados en la interfaz entre medios aislantes y conductores. Debido a su capacidad para confinar un campo electromagnético incidente al límite de tamaño de un átomo en rango sublongitud de onda, los plasmones de superficie se han convertido en uno de los métodos más fundamentales e importantes para lograr interacciones fuerte luz-materia. Este fenómeno óptico atractivo se ha encontrado en diversos sistemas plasmónicos, facilitando desarrollo de aplicaciones de vanguardia como biosensores, óptica no lineal, absorbedores y otros moduladores plasmónicos. Las posibilidades de lograr estas aplicaciones significativas se atribuyen a fenómenos interesantes como la transparencia inducida plasmónicamente (PIT). El proceso PIT es consecuencia de interferencia Fano de acoplamiento campo cercano y se caracteriza por generación de ventana prominente en espectro óptico al eliminar absorción resonante en el sistema. Años recientes, tal interacción plasmónica coherente se ha usado para conmutación plasmónica, propagación luz lenta, sensado y almacenamiento óptico.

Aunque estudios recientes revelaron que películas metálicas ultrafinas hasta espesor atómico poseen sintonizabilidad eléctrica dinámica, los plasmones soportados por estos metales nuevos aún sufren pérdidas óhmicas y radiativas relativamente grandes de los metales. Tal deficiencia limita desarrollo ulterior de PIT soportado por metales, necesitando nuevos materiales plasmónicos. En contraste con plasmones metálicos, plasmones soportados por grafeno (capa atómica simple de átomos carbono estructurados en red hexagonal simétrica) no solo pueden sintonizarse continua y dinámicamente mediante polarización electrostática, sino que también tienen longitud propagación larga, permitiendo nueva generación dispositivos plasmónicos reestructurables y proporcionando plataforma ideal para PIT activo. Aunque diversos materiales y diseños se han usado para lograr PIT en metal puro, grafeno, o sistemas híbridos, la mayoría solo realiza efecto PIT simple. Por ejemplo, forma común lograr PIT es diseñar metasuperficies tipo π. Otra forma: sistemas acoplados rejilla. Sin embargo, estas estructuras solo realizan PIT ventana única dependiente polarización. Esto es porque, debido asimetría geométrica especial, todos nano-resonadores preestablecidos operan como modo brillante (radiante/superradiante) u oscuro (no radiante/subradiante). Por tanto, solo permiten una vía acoplamiento brillante-oscuro en una dirección polarización particular, resultando en solo un efecto PIT dependiente polarización. Aunque estudios previos demostraron sistemas PIT con dos vías acoplamiento modo brillante-oscuro en GNRs puros o estructuras acopladas rejilla, los efectos PIT ventana única insensible polarización o ventana doble dependiente polarización en estos sistemas dependen fuertemente de la elección particular de parámetros geométricos (ver discusión).

En este artículo, proponemos usar dos resonadores distintos: GNRs acoplan con lámina grafeno cargada rejillas dieléctricas, para acoplar y realizar dos efectos PIT separados. Demostraremos que estableciendo direcciones resonantes perpendiculares, plasmones de superficie resonando en ambos resonadores se generarán bajo diferentes direcciones polarización luz incidente, resultando en dos vías acoplamiento dependientes polarización diferentes y, por tanto, dos efectos PIT separados. Además, estudios paramétricos investigarán en detalle mecanismos acoplamiento. Análisis teóricos basados en modelo dos partículas y simulaciones avanzadas combinados demostrarán estos efectos PIT conmutables. Finalmente, aplicaciones potenciales sistema propuesto, como sensores índice refracción y absorbedores perfectos, y comparaciones con otros sistemas PIT se discutirán.

Diseños y Materiales

En esta parte, introducimos modelo numérico y materiales relacionados usados. Declaramos que en nuestro modelo solo consideramos electrodinámica clásica, negligiendo efectos que puedan surgir de posibles efectos cuánticos tamaño finito GNRs, efectos no lineales grafeno, y efectos fonones sustrato. Esquema sistema propuesto Fig. 1. Dos capas grafeno colocadas plano xoy separadas por Si dopado o SiO₂ conductor con índice refracción n₃ y espesor d. Primera capa formada por nanocintas grafeno inferiores (LGNRs) con período dirección x. Segunda capa lámina grafeno completa, cubierta además por rejillas dieléctricas con índice refracción n₁ (etiquetadas rejillas grafeno superiores, UGGs) y período P_d dirección y. Parámetros geométricos fijos: W_r = W_d = 50 nm, p_r = p_d = 100 nm, h = 100 nm, d = 20 nm, como definidos Fig. 1. Constantes dieléctricas otros materiales rodeando capas grafeno n₀ y n₂, Fig. 1. Por simplicidad y sin pérdida generalidad, constantes dieléctricas n₁ = 2.0, n₀ = n₂ = n₃ = 1.0. Negligencia parte imaginaria índice refracción no cambiaría conclusiones fundamentales. Parámetros arriba se mantienen salvo especificación contraria. Tecnológicamente, realización sistema PIT propuesto dos capas grafeno experimentalmente factible usando técnicas patrón y rejilla bien desarrolladas, usadas recientemente fabricar sistemas grafeno estratificados [27, 47].

Vistas 3D (a) y 2D laterales (b, c) sistema PIT propuesto. Una capa grafeno cargada rejilla dieléctrica periódica cubre sobre una capa GNRs periódicas con direcciones rejilla y cinta cruzadas. Capa superior rejilla grafeno diseñada ancho rejilla W_d, altura h, período transversal P_d, mientras nanocintas grafeno inferiores ancho cinta W_r y período P_r. Distancia entre dos capas grafeno d, asumida rellena Si conductor o SiO₂ espaciador índice refracción n₃. Índices refracción sobre rejillas dieléctricas y bajo GNRs etiquetados n₁, n₀, n₂ respectivamente. Onda plana polarizada linealmente número onda β₀ y ángulo polarización θ respecto eje x incide normalmente superficie sistema grafeno estratificado.

Métodos

Estructura propuesta simulada numéricamente método diferencias finitas dominio tiempo (FDTD) basado Lumerical FDTD Solutions. Simulaciones: condiciones frontera periódicas direcciones x e y. Ondas planas banda ancha incidentes dirección z, capas perfectamente adaptadas (PML) aplicadas dirección z absorber luz saliendo fronteras. Distribución campo eléctrico recopilada monitores perfil campo 2D longitud onda resonante distancia 0.5 nm superficie grafeno entre dos capas. Además, película grafeno descrita aproximación fase aleatoria (RPA) [48, 49]. Dentro esta aproximación, conductividad óptica en-plano σ grafeno escrita expresión semiclásica tipo Drude rango infrarrojo medio: σ(ω) = ie²E_F/[πℏ²(ω + iτ⁻¹)] [24, 50]. Aquí, E_F = ℏv_F(n_gπ)¹/² nivel Fermi grafeno, n_g = (μ/ℏv_F)²/π concentración portadores (μ = 15000 cm²/(V·s) movilidad cc medida, v_F = 10⁶ m/s velocidad Fermi, ℏ constante Planck reducida) sintonizable polarización eléctrica [24, 25, 50], ω frecuencia angular, τ = μE_F/(ev_F²) tiempo relajación portadores. En este artículo, E_F fijado 0.6 eV salvo especificación. Simulaciones, propiedad óptica grafeno descrita tensor permitividad relativa anisotrópico [35]. Componente z permitividad grafeno ε_zz = 2.5 basado constante dieléctrica grafito, componentes en-plano ε_xx = ε_yy = 2.5 + iσ(ω)/(ε₀ωt) [24, 51], ε₀ permitividad vacío, t = 1 nm espesor grafeno [35].

Aplicando modelo dos partículas en ambos ejes x e y, analizamos teóricamente resonancias plasmónicas efectivas y acoplamientos Fig. 1 mediante conjunto ecuaciones [8, 52, 53]:

a₁ᵢ''(t) + γ₁ᵢ a₁ᵢ'(t) + ω₁ᵢ² a₁ᵢ(t) + κ₁₂ᵢ² a₂ᵢ(t) = Q₁ᵢ E sen θ / m₁ᵢ (1)

a₂ᵢ''(t) + γ₂ᵢ a₂ᵢ'(t) + ω₂ᵢ² a₂ᵢ(t) + κ₂₁ᵢ² a₁ᵢ(t) = Q₂ᵢ E cos θ / m₂ᵢ (2)

donde i = x o y; γᵢ factor pérdida, relacionado ancho línea espectro; ωᵢ frecuencia resonancia resonador; Qᵢ cargas efectivas modos, muestran fuerza modo resonante; mᵢ masas efectivas partículas orientación resonante correspondiente. κᵢ fuerza acoplamiento entre dos capas dirección i, corresponde interacciones electrón-electrón dos modos acoplados, determinada distribución campo especial plasmones y distancia acoplamiento entre resonadores. Considerando acoplamientos plasmónicos solo entlang dos ejes coordenadas con fuerza κ₁₂ᵢ = κ₂₁ᵢ = κᵢ, tratamos sistema como dos grupos resonadores resonando independientemente direcciones diferentes. Asumimos todas partículas acoplan campo eléctrico incidente E = E₀eⁱᵛᵗ, generando vectores desplazamiento aᵢ = cᵢeⁱᵛᵗ. Tras cálculos algebraicos Ec. (1) y (2), amplitudes modos plasmonés expresadas:

a₁ᵢ(t) = [κᵢ² Q₂ᵢ E cos θ / m₂ᵢ + (ω² − iωγ₂ᵢ − ω₂ᵢ²) Q₁ᵢ E sen θ / m₁ᵢ] / [κᵢ⁴ − (ω² − iωγ₁ᵢ − ω₁ᵢ²)(ω² − iωγ₂ᵢ − ω₂ᵢ²)] (3)

a₂ᵢ(t) = [κᵢ² Q₁ᵢ E sen θ / m₁ᵢ + (ω² − iωγ₁ᵢ − ω₁ᵢ²) Q₂ᵢ E cos θ / m₂ᵢ] / [κᵢ⁴ − (ω² − iωγ₁ᵢ − ω₁ᵢ²)(ω² − iωγ₂ᵢ − ω₂ᵢ²)] (4)

Susceptibilidad eléctrica efectiva (χ_eff), muestra ratio entre polarizabilidad total (P) resonadores plasmónicos y fuerza campo eléctrico incidente, expresada formas vectores desplazamiento:

χ_eff,i = P_i²/(ε₀E) = (Q₁ᵢ a₁ᵢ + Q₂ᵢ a₂ᵢ)/(ε₀E) = {[κᵢ² Q₁ᵢ Q₂ᵢ + (ω² − iωγ₂ᵢ − ω₂ᵢ²) Q₁ᵢ²] sen θ / m₁ᵢ + [κᵢ² Q₁ᵢ Q₂ᵢ + (ω² − iωγ₁ᵢ − ω₁ᵢ²) Q₂ᵢ²] cos θ / m₂ᵢ} / {ε₀[κᵢ⁴ − (ω² − iωγ₁ᵢ − ω₁ᵢ²)(ω² − iωγ₂ᵢ − ω₂ᵢ²)]} (5)

Espectros transmisión y absorción simulados ajustados parte imaginaria susceptibilidad. En este artículo, absorción definida A = Im[χ_eff,i]. Coeficiente derivado conservación energía T + A = 1; por tanto, transmisión T = 1 − Im[χ_eff,i].

Resultados

Excitación Efectos PIT

Para excitar efectos PIT, un problema: cómo diseñar resonador modo brillante. Debido gran desajuste momento entre ondas espacio libre incidentes y ondas plasmon, excitación plasmones es desafío principal uso plasmones grafeno. Para resolver, varios enfoques habilitan excitación plasmones grafeno propuestos y demostrados teórica/experimentalmente. Primer método común: patrón monocapa grafeno nanoestructuras coplanares: nanocintas [25, 54], nanodiscos [55, 56], círculos [24]. Otro método: construir configuraciones rejilla lámina grafeno continua, logrado usando rejillas dieléctricas difractivas [51, 57] y compuertas campo eléctrico [58] construir rejillas conductividad local periódicas dependientes posición, o usando rejillas corrugación difractiva periódicas formadas por propia lámina grafeno [57, 59]. Razón plasmones superficie excitables estas estructuras grafeno: nanoestructuras o rejillas proporcionan vector onda recíproco adicional necesario compensar desajuste vector onda cuando dirección polarización entlang dirección periódica [51, 54, 59]. En esta condición, resonador grafeno opera modo brillante, o puede servir modo oscuro. Aquí proponemos usar tanto GNRs como lámina grafeno cargada rejillas dieléctricas rectangulares para trabajar respectivamente modo brillante y oscuro construir sistema PIT, Fig. 1.

Explorar mecanismo sistema PIT propuesto, simulaciones numéricas configuración Fig. 1 calculadas, resultados correspondientes dos ángulos polarización diferentes Fig. 2. Caso θ = 0°: primero calculamos situación cuando LGNRs y UGGs existen solos. Dirección polarización perpendicular LGNRs, SPs excitables en ellos, pico absorción principal 5.327 μm, línea azul Fig. 2a. En contraste, SPs lámina grafeno superior no excitables esta condición polarización porque luz incidente polarizada paralela rejillas dieléctricas, resultando fuerte desajuste momento, demostrado líneas planas verdes Fig. 2a. Situaciones: modo excitado directamente LGNRs y modo oscuro UGGs denominados LGNRs-0 y UGGs-0, Fig. 2g, f. Lo interesante: cuando dos capas grafeno juntas y suficientemente cercanas, dos picos absorción (caídas transmisión) aparecen 5.747 μm y 4.917 μm. Longitud onda resonante mayor dominante absorción 47.16 %, otra longitud onda menor pico absorción 35.88 %, indicando estos dos modos interactúan fuertemente campo incidente externo, Fig. 2a, Tabla 1. Estos dos modos originan acoplamientos plasmónicos en-fase y fuera-fase entre dos resonadores. Específicamente, resonancia modo brillante LGNRs considerado modo fijo porque excitado directamente luz incidente. Sin embargo, resonancia plasmón capa grafeno superior no excitada directamente pero puede acoplar con excitadas LGNRs interacciones en-fase y fuera-fase. Coexistencia dos resonadores y acoplamientos plasmónicos resulta directamente efecto PIT. Revelar mecanismos físicos origen dos modos claramente, mostramos distribuciones campo eléctrico estos dos modos Fig. 2h, i. Según componente E_z distribuciones campo, modo 5.747 μm muestra naturaleza resonancia en-fase estructura estratificada, llamado modo simétrico. Modo 4.917 μm muestra resonancia antifase, modo antisimétrico. Además, Fig. 2h, i revelan claramente estructura modos: todos componentes E_z muestran resonancia modo dipolo caracterizada desfase 2π entlang dirección polarización (eje x) cada capa grafeno. Estos dos modos fundamentales eliminan absorción resonante LGNRs mientras generan ventana transmisión prominente y dos picos absorción espectro óptico, causando efecto óptico PIT (por conveniencia, llamamos LGNRs-PIT). Fig. 2c también fase transmisión y tiempo retardo dos picos absorción, estos alcanzan 0.34 ps y 0.36 ps, indicando efecto luz lenta sistema.

Líneas transmisión y absorción (a, b) y fase transmisión (eje y izq) y tiempo retardo (eje y der) (c, d) sistema ángulo polarización θ = 0° (a, c) y 90° (b, d). En (a) y (b), líneas discontinuas posición resonante otra polarización. Parámetros ajuste líneas analizadas teóricamente (a) y (b) (en THz) 6.71, 110.07, 2.25, 0.46, 0.74, y 5.73, 4.13, 72.83, 0.33, 0.27 para κᵢ, Q₁ᵢ/√(ε₀m₁ᵢ), Q₂ᵢ/√(ε₀m₂ᵢ), γ₁ᵢ, γ₂ᵢ respectivamente. Distribuciones espaciales campo eléctrico casos UGGs (e línea azul, f, j) y LGNRs (e línea roja, g, k) solo eje z (e) y planos grafeno correspondientes (f, g, j, k). Distribuciones campo eléctrico (paneles izq) y componente z correspondiente (paneles der) modo simétrico (SM) (h, @5.747 μm; l, @5.511 μm) y modo antisimétrico (AM) (i, @4.917 μm; m, @4.636 μm) ángulos polarización θ = 0° (h, i) y 90° (l, m). Insertos sup. e componente z campo eléctrico caso d = 50 nm, inserto inf. posición campo gráfico principal. Signos "+" y "−" donan cargas superficiales resonantes; color más oscuro mayor densidad carga.

Caso θ = 90°: SPs excitables UGGs pico absorción principal 5.202 μm pero no LGNRs existiendo solos, líneas verdes y azules Fig. 2b. Situaciones: modo excitado directamente UGGs y modo oscuro LGNRs denominados LGNRs-90 y UGGs-90, Fig. 2j, k. Cuando estos dos modos suficientemente cercanos acoplan, dos caídas transmisión (picos absorción) aparecen claramente 5.511 μm y 4.636 μm absorción 49.07 % y 46.46 %, interacciones ondas incidentes externas muy fuertes, Fig. 2b, Tabla 1. Similar caso θ = 0°, mecanismo físico entendido considerando acoplamientos plasmónicos en-fase y fuera-fase entre dos capas grafeno. Ilustrado claramente Fig. 2l, m, componentes E_z muestran resonancia modo dipolo caracterizada desfase 2π entlang eje y cada capa grafeno revelan resonancias en-fase (modo simétrico) y fuera-fase (modo antisimétrico) picos absorción correspondientes. Son estos dos modos fundamentales eliminan absorción resonante caso solo UGGs generando ventana transmisión prominente y dos picos absorción espectro óptico, resultando otro PIT (llamamos UGGs-PIT). Fig. 2d fase transmisión y tiempo retardo dos picos absorción también trazados, mostrando efecto propagación luz lenta valores pico 0.23 ps y 0.21 ps modo simétrico y antisimétrico respectivamente.

Importante notar: aunque distribuciones campo lámina grafeno superior modo antisimétrico Fig. 2i, m muestran apariencia resonante "multipolo", siguen siendo modo dipolo porque oscilaciones carga mantienen naturaleza resonancia modo dipolo entlang dirección polarización. Razón apariencia "multipolo": fuerte interferencia campo LGNRs. Entendido considerando campo plasmón localizado más fuerte nanoestructuras GNRs patrón más pronunciado lámina grafeno continua [60], Fig. 2e. Apariencias "multipolo" desaparecerán colocando monitor campo fuera dos capas grafeno o usando gran distancia acoplamiento, ej. d = 50 nm, apariencias "multipolo" cambian resonancia modo dipolo puro, insertos Fig. 2e. Además, notamos acoplamientos modos entre dos capas grafeno son diferentes. Específicamente, caso θ = 0°, LGNRs-PIT resultado acoplamiento fuerte LGNRs-0 y UGGs-0, resonantes dirección x. Caso θ = 90°, UGGs-PIT resultado acoplamiento fuerte UGGs-90 y LGNRs-90, resonantes dirección y, claramente Fig. 2. Así, LGNRs-PIT y UGGs-PIT son efectos acoplamientos plasmónicos entre diferentes modos resonantes diferentes polarizaciones, resultando dos efectos PIT diferentes.

Por tanto, concluimos Fig. 2: LGNRs-PIT (θ = 0°) y UGGs-PIT (θ = 90°) son dos efectos PIT diferentes resultantes dos vías acoplamiento brillante-oscuro separadas sistema grafeno estratificado caracterizadas diferente respuesta espectral. Significa podemos conmutar estos dos efectos PIT uno a otro simplemente cambiando dirección polarización luz incidente, muy diferente efecto PIT insensible polarización (ver discusión). Además, efecto PIT conmutable explicable modelo dos partículas Eqs. (1) y (2). Caso θ = 0°, eficiencia acoplamiento directo UGGs campo incidente cero (oscuro) mientras LGNRs máxima (brillante), demostrado lado derecho ecuaciones. Caso θ = 90°, viceversa, UGGs brillantes, LGNRs oscuros. En ambos casos, concordancia entre resultados analíticos Ec. (5) (círculos rojos Fig. 2a, b) y numéricos (líneas rojas Fig. 2a, b) casi perfecta. Modelo analítico predice muy precisamente no solo posiciones sino también valores pico resonancias, claro Fig. 2. Finalmente, notamos resultados aquí muy diferentes otros sistemas PIT construidos mismos resonadores [35, 38]; no pueden obtener resultados Fig. 2 bajo diferentes polarizaciones. Discutiremos diferencias más adelante.

Sintonizabilidad Geométrica PIT

Demostramos acoplamientos campo cercano modo brillante y oscuro resultan dos efectos PIT dependientes polarización; por tanto, parámetros afectando grandemente resonancias modo brillante y oscuro, y fuerza acoplamiento entre ellos, tratables como parámetro ajustable efectos PIT. Primero estudios paramétricos caso θ = 0° cambiando ancho W_r LGNRs y anchos W_d UGGs 20–100 nm, resultados Fig. 3a, c. LGNRs acoplan directamente luz incidente trabajan modo brillante estas condiciones, cualquier cambio dimensiones afecta directamente respuesta plasmónica sistema. Ejemplo: W_r muy pequeño, ej. 20 nm, eficiencia acoplamiento luz incidente muy débil por baja ratio ocupación GNRs [14, 51], resultando baja absorción modo antisimétrico y especialmente modo simétrico sistema PIT, línea absorción W_r = 20 nm Fig. 3a. Otro ejemplo: W_r lo suficientemente grande, especialmente máximo 100 nm (LGNRs capa grafeno completa), ninguno dos resonadores acopla campo externo, LNGRs-PIT desaparece. Notablemente, absorciones dos modos muestran valores máximos simultáneamente W_r ~50 nm. Diferente modo brillante, variaciones ancho DG W_d capa grafeno superior modo oscuro solo sintonizan posiciones resonantes y absorciones modo simétrico y antisimétrico dentro límites, sin eliminar o afectar significativamente alta eficiencia acoplamiento ondas externas, Fig. 3c. De hecho, incluso eliminando rejillas dieléctricas o convirtiéndose capa dieléctrica completa (W_d = 100 nm), LGNRs aún acoplan lámina grafeno superior, demostrado caso bidimensional descrito trabajo previo [36], donde solo un efecto PIT permitido.

Espectros absorción sistema PIT escala longitud onda funciones (a), (b) ancho cinta W_r LGNRs; (c, d) ancho DG W_d UGGs; (e, f) distancia separación d entre dos capas grafeno paso 10/20 nm ángulos polarización θ = 0° (a, c, e) y 90° (b, d, f). En (a–f), color rojo más profundo líneas sólidas denota absorción más fuerte. Algunas líneas recortadas evitar distracciones picos absorción orden superior. En (e) y (f), curvas sólidas y círculos oscuros presentan resultados numéricos y teóricos. SM y AM modo simétrico y antisimétrico.

Sin embargo, caso θ = 90°, resultados contraste caso θ = 0° porque LGNRs modo oscuro mientras UGGs modo brillante. Detalle: cambio ancho LGNR W_r solo modula posiciones resonantes y absorciones máximas modo simétrico y antisimétrico, sin extinguir existencia dos modos, Fig. 3b. Condición W_r = 100 nm, sistema se convierte lámina grafeno cargada DG acopla otra lámina grafeno, similar sistema PIT 2D simple reportado estudio previo [34]. Cambio rejillas dieléctricas superior impacta grandemente respuesta óptica sistema PIT como lámina grafeno superior modo brillante esta condición, muy similar caso cambio W_r θ = 0°, Fig. 3d. En general, Fig. 3a–d: sintonización modo brillante afecta grandemente apariencia e incluso existencia UGGs-PIT, demostrado Fig. 3a, d; cambio modo oscuro solo cambia posiciones resonantes y fuerzas relativas modo simétrico y antisimétrico UGGs-PIT, Fig. 3b, c.

Otro parámetro afecta grandemente efectos PIT: espacio d entre dos resonadores grafeno. Fijando anchos GNRs y rejillas dieléctricas, al aumentar d, fuerza interacción entre dos resonadores grafeno disminuye monótonamente ambos ángulos polarización por rápido decrecimiento campo plasmónico dirección normal superficie grafeno [35, 61]. Resultado: modo simétrico y antisimétrico PIT se extinguen respectivamente caso θ = 0° y θ = 90° gran distancia acoplamiento, ej. d > 70 nm, Fig. 3e, f. Sabido: cuando modo brillante y oscuro lejos más allá longitud decaimiento campo evanescente cada uno, estos dos modos desacoplan, solo modo brillante existe. Concluimos Fig. 3e, f: modo simétrico y antisimétrico PIT originan respectivamente UGGs y LGNRs, permanecen gran distancia capas. Efectos PIT diferentes fuerzas acoplamiento coinciden bien modelo dos partículas, resultados simulados y predichos analíticamente excelente concordancia, Fig. 3a, b, curvas sólidas FDTD, círculos oscuros modelo dos partículas.

Sintonizabilidad Eléctrica PIT

Una ventaja principal dispositivos plasmónicos basados grafeno: sintonizabilidad dinámica banda ancha, realizable técnicas polarización electrostática [61, 62]. Propiedad intrigante permite cambiar eléctricamente nivel Fermi grafeno, modular activamente ventana transmisión sistemas PIT propuestos trabajar diferentes longitudes onda sin reconstruir estructura geométrica [24, 25]. Aplicando diferentes voltajes polarización estructura transistor efecto campo, investigadores logrado experimentalmente sintonía dinámica nivel Fermi 0.2–1.2 eV [63]. Espectros absorción simulados Fig. 4 confirman sintonizabilidad banda ancha dinámica dispositivo PIT propuesto. Parámetros geométricos dados, longitudes onda plasmon modo simétrico y antisimétrico LGNRs-PIT (UGGs-PIT) sintonizables 4.977–9.953 μm y 4.259–8.520 μm (4.775–9.551 μm y 4.015–8.033 μm) modulando nivel Fermi 0.8–0.2 eV, líneas sólidas y punto-raya Fig. 4a, b. Esta sintonizabilidad dinámica facilitará enormemente diseño y aplicación práctica dispositivo PIT propuesto.

Espectros absorción modo simétrico (líneas sólidas) y antisimétrico (líneas punto-raya) sistema PIT propuesto diferentes niveles Fermi grafeno ángulos polarización θ = 0° (a) y 90° (b).

Aplicaciones

Partes previas clarificamos cómo LGNRs acoplan UGGs resultando efectos PIT dependientes polarización, demostramos cómo parámetros geométricos y eléctricos afectan acoplamientos. Esta parte demostramos propuesta usable sensores índice refracción selectivos y absorbedores perfectos banda dual.

Considerando efecto PIT determinado tanto resonancias modo brillante como oscuro, lo que trae cambio estos dos modos alterará directamente modo simétrico y antisimétrico ventana PIT. Por tanto, modos simétrico y antisimétrico inducidos altamente sensibles entorno dieléctrico local, aplicable diseñar sensores índice refracción [64]. Nuestro diseño: ambas regiones sobre UGGs (índice n₀) y bajo LGNRs (índice n₂) regiones sensado. Calcular sensibilidades, definimos S = Δλ/Δn, especifica desplazamiento longitud onda plasmon (λ) por unidad índice refracción (RIU). Asumimos índices refracción materiales n₁ = 2.0, n₀ = n₂ = n₃ = 1.3 (excepto casos n₀ o n₂ regiones sensado rango 1.0–1.1).

Primero, sintonizando ancho GNRs (W_r), hallamos cuando región sensado junto modo brillante (región n₀ θ = 90° y región n₂ θ = 0°), sensibilidad modo simétrico S_SM mayor ancho cinta mayor (líneas azules sólidas Fig. 5b, c). Especialmente, S_SM alcanza 4 μm/RIU caso θ = 0° región n₂. Segundo, caso aumento ancho DG (W_d), ambas sensibilidades modo simétrico S_SM y antisimétrico S_AM disminuyen mayoría casos. Finalmente, distancia acoplamiento d entre dos capas, S_SM disminuye mientras S_AM aumenta ambos ángulos polarización (líneas sólidas y punto-raya oscuras Fig. 5). Considerando modo antisimétrico desaparece gran distancia acoplamiento θ = 90° (Fig. 3f), modo antisimétrico situación θ = 0° más adecuado sensor mayor distancia. Generalmente, sensibilidades modo simétrico y antisimétrico LGNRs-PIT y UGGs-PIT respectivamente comparables, concluyendo comparando Fig. 5a con 5b, y Fig. 5c con 5d. Además, sensibilidades casos región sensado junto modo brillante y oscuro no muestran gran diferencia, comparando Fig. 5a con 5d (junto modo oscuro), Fig. 5b con 5c (junto modo brillante). Sin embargo, sensibilidades caso región sensado bajo LGNRs obviamente mayores que caso región sensado sobre UGGs, comparando Fig. 5a, b con Fig. 5c, d. Porque sensibilidad directamente relacionada campo plasmónico localizado [64], campo plasmónico local nanoestructuras borde cortante generalmente más fuerte grafeno continuo libre borde rejillas dieléctricas [60].

Sensibilidades índice refracción modo simétrico (S_SM, líneas sólidas) y antisimétrico (S_AM, líneas punto-raya) regiones sensado n₀ (a, b) y n₂ (c, d) funciones ancho cinta W_r LGNRs, ancho DG W_d UGGs, distancia separación d entre dos capas grafeno ángulos polarización θ = 0° (a, c) y 90° (b, d). Inserciones muestran ubicación región sensado.

Además sensor índice refracción, sistema propuesto también diseñable absorbedor perfecto. Lograr esto, añadimos sustrato metálico bajo LGNRs asumimos índices refracción n₁ = 2.0, n₀ = n₂ = n₃ = 1.3. Existencia sustrato metálico, capa dieléctrica entre LGNRs y espejo metálico forma cavidad Fabry-Perot, aumenta interacción incidencia capas grafeno aument absorptividad dos modos. Caso LGNRs-PIT θ = 0°, hallamos absorciones perfectas absorptividad >96 % modo simétrico y antisimétrico simultáneamente cuando sustrato metálico distancia 3.0 μm bajo LGNRs, Fig. 6a, c. También hallamos propuesta buena robustez nivel dopaje grafeno, Fig. 6a. Absorptividad dos modos >90 % nivel Fermi grafeno 0.58–0.66 eV. Además nivel dopaje, absorciones perfectas buena tolerancia ángulo polarización: absorptividad dos modos alto nivel (>90 %) incluso ángulo polarización −17° a 17°. Robustez parámetros buena diseño práctico absorbedor.

Espectros absorción diferentes niveles Fermi grafeno ángulos polarización θ = 0° (a) y 90° (b) casos sustrato metálico bajo LGNRs distancia 3.0 μm (a, c) y 1.2 μm (b, d). (c, d) Máximos absorción funciones θ. SM y AM modo simétrico y antisimétrico.

Lograr absorción perfecta caso UGGs-PIT θ = 90°, necesitamos sustrato metálico distancia 1.2 μm bajo LGNRs. Hallamos absorciones perfectas absorptividad >95 % modo simétrico y antisimétrico simultáneamente, Fig. 6b, d. Similar caso LGNRs-PIT, absorciones perfectas buena tolerancia ángulo polarización −15° a 15° absorptividad dos modos >90 % (Fig. 6d). Notablemente, absorbedor propuesto caso UGGs-PIT muestra robustez mucho mayor nivel dopaje grafeno, Fig. 6b. Absorptividad dos modos >90 % incluso nivel Fermi grafeno 0.55–1.15 eV. Considerando nivel Fermi grafeno sintonizable dinámicamente compuerta externa, estructura diseñada pensable absorbedor perfecto banda dual activo longitud onda modo simétrico (antisimétrico) 4.59–6.64 μm (3.77–5.45 μm).

Discusión

Esta parte discutimos ventajas y diferencias estructura propuesta con otras estructuras similares. Fin, primero calculamos longitudes onda resonantes plasmon casos solo GNRs y solo grafeno cargado rejilla dieléctrica, Fig. 7a. Muestra longitudes onda plasmon dependencias diferentes ancho resonador. Inserciones muestran propiedad resonante modos: GNRs, campos plasmónicos localizados principalmente borde GNR, mientras grafeno con rejillas dieléctricas, campos concentrados área rejilla. Estudios previos mostraron distribuciones campo y distancia resonadores afectan grandemente acoplamientos plasmónicos [35, 65] y respuesta espectral sistema acoplado. Es decir, nuestros casos, acoplamientos LGNRs a rejillas dieléctricas superiores diferentes acoplamiento inverso rejillas superiores a LGNRs. Por tanto, resultados Fig. 7b: incluso cuando longitudes onda plasmon dos resonadores iguales existiendo solos, también conducen dos efectos PIT distintos sin importar modo brillante/oscuro. Mostrar más claramente ventaja diseño, trazamos posiciones modo resonante efectos PIT diferentes parámetros geométricos Fig. 7c, d. Demuestran claramente siempre dos efectos PIT distinguibles dos direcciones polarización, incluso parámetros geométricos mismos.

(a) Longitudes onda plasmon casos solo GNRs y solo grafeno cargado rejilla dieléctrica diferentes anchos cinta y rejilla. Inserciones muestran distribución campo modos. (b) Espectros absorción diferentes ángulos polarización sistema GNR y grafeno cargado rejilla dieléctrica acoplado ancho 54 nm. (c–f) Posiciones resonantes dos picos PIT diferentes ángulos polarización diferentes sistemas. Inserciones muestran estructuras correspondientes.

Sin embargo, uno puede preguntar por qué estructura propuesta no diseñada mismos resonadores, GNRs perpendiculares y grafeno cargado rejilla dieléctrica, como reportado estudios previos [35, 38]. Explicar, trazamos posiciones resonantes dos modos efectos PIT estructuras GNRs puros y resonadores grafeno cargado rejilla dieléctrica Fig. 7e, f. Hallamos: cuando dos capas resonadores diseñadas mismos parámetros geométricos, solo un efecto PIT todas direcciones polarización, efecto PIT indistinguible espectro absorción. Porque acoplamientos entre dos capas resonadores equivalentes debido misma distribución campo modos plasmon. Es decir, efectos PIT independientes polarización estructuras insertos Fig. 7e, f dependen elección particular parámetros geométricos. Mientras, por contrario, diseño este artículo lograr dos efectos PIT conmutables no depende elección particular parámetros geométricos, garantizando existencia dos efectos PIT conmutables.

Conclusión

En este artículo, simulaciones avanzadas y análisis teóricos combinados investigan efectos PIT conmutables dos capas grafeno formadas por GNRs acopladas capa grafeno cargada rejilla dieléctrica. Gracias direcciones cruzadas nanocinta y rejilla, tanto GNRs como rejillas dieléctricas operan como modo brillante u oscuro según dirección polarización. Luz incidente bajo estas dos direcciones polarización introduce dos vías acoplamiento brillante-oscuro diferentes dentro dos resonadores, resultando dos efectos PIT conmutables. Parámetros geométricos: ancho nanocinta grafeno, ancho rejilla dieléctrica, distancia capas, nivel Fermi grafeno, usados estudiar mecanismo físico y rendimiento efecto PIT propuesto. Además, conceptos propuestos examinados aplicando modelo dos partículas, mostrando concordancia sobresaliente resultados numéricos. Métodos propuestos proporcionan enfoque general lograr efectos PIT conmutables sistema resonadores distintos acoplados y avanzan aplicabilidad y versatilidad plataformas sensado plasmónico basadas PIT y absorbedores perfectos banda dual activos.

Disponibilidad Datos y Materiales

Todos los datos respaldan conclusiones artículo incluidos dentro artículo.

Historial Cambios

Abreviaturas

FDTD:

Diferencias finitas dominio tiempo

GNRs:

Nanocintas grafeno

LGNRs:

Nanocintas grafeno inferiores

PIT:

Transparencia inducida plasmónicamente

UGGs:

Rejillas grafeno superiores