Effiziente optische Reflexionsmodulation durch Kopplung des Zwischenbandübergangs von Graphen zu magnetischer Resonanz in Metamaterialien

Hintergrund

Die dynamische Steuerung der spektralen Eigenschaften elektromagnetischer Wellen durch externe Stimuli wie mechanische Kraft, Temperaturänderung, elektrische Spannung und Laserstrahl [1,2,3,4] hat aufgrund vieler Anwendungen auf dem Gebiet der holographischen Anzeige zunehmendes Interesse auf sich gezogen Technologie, Hochleistungssensorik und optische Kommunikation. In den letzten Jahren wurden viele Anstrengungen unternommen, um die Transmissions-, Reflexions- oder Absorptionsspektren elektromagnetischer Wellen, die auf der elektrisch abstimmbaren Oberflächenleitfähigkeit von Graphen basieren, in einem sehr weiten Frequenzbereich einschließlich Mikrowellen aktiv zu manipulieren [5, 6] , Terahertz (THz) [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28, 29,30,31,32,33], Infrarot [34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52 ,53,54,55,56,56,57,58,59.60,61.62,63,64,65] und sichtbares Regime [66,67,68,69]. Eine solche auf Graphen basierende aktive Manipulation elektromagnetischer Wellen erfolgt unter externem elektrischem Stimulus ohne umbaubezogene Strukturen, die darauf abzielen, die Amplitude effizient zu modulieren [5, 7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18,19,20,21, 34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52, 53,54,55,56,57, 66,67,68,69,70,71,72], Phase [6, 22,23,24,25,26,27,28, 58,59,60,61 ,62] und Polarisation [29,30,31,32,33, 63,64,65] elektromagnetischer Wellen. Die drei Arten von Modulatoren für elektromagnetische Wellen sind die wichtigsten für die Signalverarbeitung in der optischen Freiraumkommunikation [1,2,3,4]. Im Ferninfrarot- und THz-Bereich umfasst die Oberflächenleitfähigkeit von Graphen nur den Beitrag des Intrabandes, und Graphen hat eine effektive dielektrische Funktion, die mit dem Standardmodell von Drude beschrieben werden kann [27]. Daher kann nanostrukturiertes Graphen bei niedrigeren Frequenzen, sehr ähnlich zu Edelmetallen (z. B. Ag und Au), auch lokalisierte oder delokalisierte Oberflächenplasmonenresonanzen [73] mit starker elektromagnetischer Feldverstärkung unterstützen, was weit verbreitet zur Verstärkung Mater-Wechselwirkungen zur effizienten Modulation elektromagnetischer Wellen. Sensale-Rodriguez et al. präsentierten theoretisch Reflexionsmodulatoren mit hervorragender Leistung bei THz-Frequenz, indem sie plasmonische Effekte in Graphen-Mikrobändern nutzten [9]. Im sichtbaren und nahen Infrarotbereich dominiert der Interband-Beitrag die Oberflächenleitfähigkeit von Graphen, dessen komplexe Permittivität einen positiven Realteil hat. Bei höheren Frequenzen unterstützt Graphen selbst also keine Oberflächenplasmonenresonanzen mehr, sondern verhält sich bei Wechselwirkung mit Licht eher wie ein ultradünner dielektrischer Film. In dieser Situation werden häufig verschiedene hochqualitative Resonanzmoden untersucht, die in anderen nanostrukturierten Materialien unterstützt werden, um elektromagnetische Wellen mit Hilfe der Gate-gesteuerten Fermi-Energie von Graphen elektrisch zu modulieren. Yu et al. untersuchten theoretisch die Amplitudenmodulation von sichtbarem Licht mit Graphen unter Verwendung von Fabry-Perot-Interferenz, Mie-Moden in dielektrischen Nanokugeln mit hohem Brechungsindex und Oberflächengitterresonanzen in einer periodischen Anordnung von Metallnanopartikeln [67]. In den letzten zehn Jahren wurde die Magnetresonanz in Metamaterialien umfassend und intensiv untersucht, um perfekte Absorber elektromagnetischer Wellen zu erreichen [74,75,76,77,78]. Allerdings gibt es bisher nur wenige Studien zu optischen Modulatoren, die auf Magnetresonanz in Metamaterialien mit eingebauter Graphen-Monoschicht basieren [34].

Wir werden eine effiziente Methode vorschlagen, um die Reflexionsspektren elektromagnetischer Wellen im nahen Infrarotbereich zu modulieren, indem wir den Interband-Übergang von Graphen an die magnetische Dipolresonanz in Metamaterialien koppeln. Es zeigt sich, dass die Reflexionsspektren von Metamaterialien im Wellenlängenbereich unterhalb des Interband-Übergangs von Graphen stark reduziert werden können, da die verstärkten elektromagnetischen Felder aus der magnetischen Dipolresonanz die Lichtabsorption in Graphen stark erhöhen. Die maximale Modulationstiefe der Reflexionsamplitude kann in der Nähe der Resonanzwellenlänge des magnetischen Dipols bis zu etwa 40% erreichen, damit der Zwischenbandübergang nahe der magnetischen Dipolresonanz liegt, wenn eine externe Spannung angelegt wird, um die Fermi-Energie von Graphen zu ändern.

Methoden

In Abb. 1 zeigen wir schematisch den Baustein der untersuchten Metamaterialien für eine effiziente Reflexionsmodulation im Nahinfrarotbereich durch die Wechselwirkungen zwischen der magnetischen Dipolresonanz und dem Interbandübergang von Graphen. Numerische Berechnungen führen wir mit dem kommerziellen Softwarepaket „EastFDTD“ durch [79, 80]. Die Siliziumdioxidschicht hat einen Brechungsindex von 1,45, und die Silbernanostreifen und das Substrat haben eine experimentelle dielektrische Funktion [81]. Das Graphen hat eine relative Permittivität, die nach der folgenden Formel berechnet wird [82]:

Schema des Bausteins von Metamaterialien. Geometrische Parameter:die Periode p _x entlang der x -Achsenrichtung, die Dicke t des Silica-Abstandshalters, die Breite w , und die Höhe h der Silber-Nanostreifen

wo σ _intra und σ _inter sind die Intraband- und Interbandterme der Oberflächenleitfähigkeit von Graphen, τ ist die Elektron-Phonon-Relaxationszeit, E _f ist die Fermi-Energie und t _g ist die Graphendicke. Die untersuchten Metamaterialien konnten mit Hilfe fortschrittlicher Nanofabrikationstechnologie experimentell realisiert werden [83]. Zunächst werden das Silbersubstrat und die Siliziumdioxidschicht durch thermische Verdampfung hergestellt. Dann wird das Monolayer-Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung auf die Siliziumdioxidoberfläche aufgetragen. Schließlich wird die periodische Anordnung von Silber-Nanostreifen durch Elektronenstrahllithographie hergestellt.

Ergebnisse und Diskussion

Wir diskutieren zunächst die Reflexionsspektren von Metamaterialien ohne Graphen, wie durch die schwarze Linie und die Quadrate in Abb. 2a dargestellt. Es wird ein breiter Reflexionsabfall bei 1210 nm beobachtet, der mit einem magnetischen Dipol zusammenhängt. Wenn Graphen in Metamaterialien eingebaut wird, wird die Reflexion für Wellenlängen kleiner als 1150 nm (die Position des Interband-Übergangs in Graphen) stark reduziert, wie durch die rote Linie und die Kreise in Abb. 2a gezeigt. Der Grund dafür ist, dass die verstärkten elektromagnetischen Felder durch die Resonanzanregung des magnetischen Dipols die Lichtabsorption von Graphen enorm erhöhen. Dementsprechend nimmt die Graphen-induzierte Modulationstiefe der Reflexionsspektren allmählich von etwa 11 auf 28% zu, wenn die Lichtwellenlänge von 1000 nm auf die Zwischenbandübergangsposition erhöht wird, wie in 2b gezeigt. Die Modulationstiefe ist allgemein definiert als (R -R ₀ )/R ₀ , wobei R und R ₀ sind die Reflexionsspektren mit und ohne Graphen in Metamaterialien [34].

a Numerisch berechnete Reflexionsspektren von Metamaterialien mit und ohne eingebauter Graphen-Monoschicht unter senkrechtem Einfall. b Modulationstiefe. Parameter: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

Um zu zeigen, dass die breite Reflexionsneigung für einen magnetischen Dipol relevant ist, tragen wir in Abb. 3 die elektromagnetischen Felder auf dem xoz Ebene bei der Wellenlänge von 1210 nm. Die elektrischen Felder verteilen sich hauptsächlich um die Kanten von Silber-Nanostreifen, und die magnetischen Felder sind größtenteils in der Silica-Region unter den Silber-Nanostreifen lokalisiert. Die Feldverteilung ist die typische Eigenschaft einer magnetischen Dipolresonanz [84]. Zwischen dem Silbersubstrat und dem einzelnen Nanostreifen erzeugt die plasmonische Nahfeldhybridisierung antiparallele Ströme, wie durch zwei schwarze Pfeile in Abb. 3b angezeigt. Die antiparallelen Ströme können ein magnetisches Moment M . induzieren Entgegenwirken des einfallenden Magnetfelds, um die magnetische Dipolresonanz zu bilden. Die Resonanzwellenlänge hängt stark von der Breite w . ab der Silbernanostreifen, die eine deutliche Rotverschiebung aufweisen, wenn w wird erhöht.

Elektrisch (a ) und magnetisch (b ) Feldverteilungen auf der xoz Ebene bei der magnetischen Dipolresonanz

Die Position des Interband-Übergangs kann bequem eingestellt werden, wenn eine externe Spannung angelegt wird, um die Fermi-Energie E . zu ändern _f . Die Positionsabstimmbarkeit des Zwischenbandübergangs ist sehr hilfreich, um die Reflexionsspektren effizient zu steuern. Für E _f um von 0,46 auf 0,58 eV anzusteigen, verschiebt sich der Interband-Übergang schnell blau, wie durch die offenen Kreise in Fig. 4a gezeigt. Gleichzeitig wird die Reflexion im Wellenlängenbereich des Interband-Übergangs merklich reduziert. In der Nähe der Resonanzwellenlänge des magnetischen Dipols wird die Reflexion auf ein Minimum von etwa 0,55 reduziert, wenn der Zwischenbandübergang allmählich so abgestimmt wird, dass er über den magnetischen Breitbanddipol verläuft. Abbildung 4b zeigt den Graphen-induzierten Reflexionsmodulationseffekt für verschiedene E _f . Mit abnehmendem E _f , wird die Modulationstiefe der Reflexionsspektren größer und beträgt maximal fast 40%, wenn E _f =0,46 eV. Darüber hinaus wird der abstimmbare Wellenlängenbereich aufgrund der kontinuierlichen Rotverschiebung des Interband-Übergangs auch viel breiter, wenn E _f wird verringert. Im Wellenlängenbereich über dem Interband-Übergang werden die Reflexionsspektren jedoch im Vergleich zum Fall ohne Graphen nicht moduliert, und daher beträgt die Modulationstiefe fast null.

Reflexionsspektren (a ) und Modulationstiefe (b ) für verschiedene E _f

Der Zwischenbandübergang hängt eng mit der Fermi-Energie E . zusammen _f , die sich vollständig als scharfes spektrales Merkmal in der Permittivität ε . manifestieren kann _g von Graphen. In Abb. 5 geben wir den Real- und Imaginärteil von ε _g für verschiedene E _f . Für jedes E _f , gibt es einen schmalen Peak im Realteil von ε _g , und dementsprechend erscheint ein abrupter Abfall im Imaginärteil von ε _g . Mit abnehmendem E _f , ein so scharfes spektrales Merkmal Rotverschiebungen offensichtlich. Im Wellenlängenbereich auf der rechten Seite des abrupten Abfalls ist der Imaginärteil von ε _g ist sehr klein. Aus diesem Grund werden die Reflexionsspektren nicht für die Wellenlängen über den Interband-Übergang moduliert. Die Ortsabhängigkeit des Zwischenbandübergangs von der Fermi-Energie E _f ist in Abb. 6 dargestellt. Wir können deutlich sehen, dass die Peakpositionen des Realteils von ε _g stimmen hervorragend mit denen überein, die durch die geöffneten Kreise in Abb. 4a gekennzeichnet sind.

Realteil (a ) und Imaginärteil (b ) von ε _g für verschiedene E _f

a Positionen des Interband-Übergangs für verschiedene E _f

Schlussfolgerung

Wir haben numerisch eine Methode demonstriert, um die Reflexionsspektren elektromagnetischer Wellen im nahen Infrarotbereich effizient zu modulieren, indem wir den Interband-Übergang von Graphen an die magnetische Dipolresonanz in Metamaterialien koppeln. Es zeigt sich, dass die Reflexionsspektren im Wellenlängenbereich unterhalb des Interband-Übergangs von Graphen stark reduziert werden können, da die verstärkten elektromagnetischen Felder aus der magnetischen Dipolresonanz die Lichtabsorption in Graphen stark erhöhen. Die maximale Modulationstiefe der Reflexionsspektren kann bis zu etwa 40% in der Nähe der Resonanzwellenlänge des magnetischen Dipols erreichen, damit der Zwischenbandübergang nahe der magnetischen Dipolresonanz liegt, wenn eine externe Spannung angelegt wird, um die Fermi-Energie von Graphen zu ändern. Der in dieser Arbeit vorgestellte Reflexionsmodulationseffekt kann potenzielle Anwendungen in optischen Kommunikationssystemen finden.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.