封面 ︱利用介電環(huán)境調(diào)控石墨烯等離激元和基底聲子的耦合
《量子電子學(xué)報(bào)》第2期封面文章
Zeng Kai, Fan Xiaodong, Wang Dongli, Li Xiaoguang, Zeng Changgan. Modulation of coupling between graphene plasmon and substrate’s phonon by changing dielectric environment[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2020, 37(2): 138-143.
石墨烯等離激元在中紅外到太赫茲波段具有很好的場束縛、相對(duì)較低的損耗和獨(dú)特的柵壓可調(diào)性,可以做太赫茲波段的偏振控制器,可以探測紅外分子振動(dòng)光譜,也可以動(dòng)態(tài)調(diào)制紅外光光強(qiáng),有廣闊的應(yīng)用前景。
激發(fā)石墨烯等離激元的常見手段是將石墨烯轉(zhuǎn)移到二氧化硅基底上,通過電子束刻蝕做成周期性條帶陣列。周期性結(jié)構(gòu)可以提供波矢,補(bǔ)償電磁波真空波矢和等離激元波矢的巨大差別,實(shí)現(xiàn)石墨烯等離激元的激發(fā)。石墨烯是單原子層材料,容易受到周圍介電環(huán)境的影響,進(jìn)而石墨烯的等離激元性質(zhì)也容易受到介電環(huán)境的影響。當(dāng)基底是極性基底時(shí),石墨烯等離激元會(huì)和基底的表面光學(xué)聲子耦合,等離激元的色散曲線在聲子頻率處發(fā)生劈裂,但如何調(diào)控這種耦合卻缺乏研究。
近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員采用Comsol Multiphysics軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,針對(duì)硅基底上放石墨烯條帶以及二氧化硅基底上放石墨烯條帶的體系,通過改變石墨烯條帶邊緣的介電環(huán)境,研究介電環(huán)境對(duì)石墨烯等離激元和基底聲子耦合的調(diào)控。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在量子電子學(xué)報(bào)2020年第二期。
插圖:改變二氧化硅上石墨烯條帶邊緣環(huán)境對(duì)石墨烯等離激元的調(diào)控效果
通過Comsol進(jìn)行數(shù)值模擬表明,改變石墨烯條帶邊緣介電環(huán)境對(duì)石墨烯等離激元和基底表面光學(xué)聲子的耦合有明顯的調(diào)控效果。當(dāng)石墨烯條帶放在硅基底上時(shí),增加石墨烯條帶邊緣附近硅的體積比,色散曲線整體下移,效果類似于增大了硅的介電常數(shù)。當(dāng)石墨烯條帶放置在二氧化硅基底上時(shí),增加石墨烯條帶邊緣附近二氧化硅的體積比可以增強(qiáng)石墨烯等離激元和二氧化硅聲子的耦合,低頻段的兩個(gè)色散分支上的最大光吸收率也明顯增加。
相比以往采用電加熱調(diào)控耦合的方案,該文章的調(diào)控方案更簡單,并且具有完全不同的物理機(jī)理。另外,文中設(shè)計(jì)的不同結(jié)構(gòu)也是調(diào)節(jié)石墨烯等離激元和二氧化硅聲子耦合程度以及石墨烯條帶吸收率的方法,可以促進(jìn)太赫茲波段石墨烯等離激元理論和器件制備的發(fā)展。
課題組介紹:
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾長淦課題組主要從事低維凝聚態(tài)物理研究,包括石墨烯、等離激元、表面物理、氧化物異質(zhì)結(jié)等方向。在此領(lǐng)域共發(fā)表SCI論文80余篇, 包括1篇Nature,1篇Nature Materials,1篇Nature Physics,1篇Nature Photonics, 2篇Nature Communications,11篇Physical Review Letters,1篇Advanced Materials, 5篇Nano Letters,2篇Journal of the American Chemical Society;授權(quán)專利5件。
